Школьные законы физики

Часто в уже работающих или только спроектированных системах находятся ошибки, связанные с незнанием (или пренебрежением) основных законов физики, которые изучают еще в школе. Давайте немного освежим эти уже многими надежно забытые знания.

 Закон Ома

Думаю, помнят его все: I=U/R, ток равен напряжению, поделенному на сопротивление. Еще его можно записать в более показательном виде: U=I*R. Одно из проявлений данного закона (о котором многие забывают) – падение напряжения, происходящее на проводах.

Удельное сопротивление меди

Лучший из общедоступных проводников – медь. Но даже медь – не идеальный проводник, у нее есть свое удельное сопротивление. Например, провод длиной 100 метров и диаметром 1,0 мм2 имеет сопротивление около 2 Ом. Есть, конечно, еще целый ряд параметров, влияющих на сопротивление провода, но как усредненный показатель его вполне можно принять и запомнить, как константу. На практике, конечно, такое сечение встречается редко, но не трудно провести простейший пересчет.

Питание камер

Допустим, вы подводите питание в 12 В к камере с помощью провода, имеющего сечение 0,2 мм2. Исходя из того, что это в 5 раз меньше, чем названный выше провод с миллиметровым сечением, получаем сопротивление в 10 Ом. Допустим, что длина нашего провода составит 150 метров, тогда сопротивление будет 15 Ом. По паспорту камеры видим, что потребляет она 300 мА, соответственно получаем падение напряжения на проводе в 4,5 Вольта. Питание подведено двумя проводами, на каждом из них падает 4,5 Вольта. Получается, что 9 Вольт мы потеряли по дороге и хотим, чтобы камера работала от 3-х Вольт.

Кто-то посчитает, что нужно просто подобрать источник питания, покрывающий эту потерю. В данном случае – 21 Вольт. Цифра нестандартная, но, допустим, вы такой источник питания нашли. Что будет дальше?

Закон Кирхгофа

Этот закон мало кто помнит по названию, но запоминают по сути: если что-то куда-то втекает, то оттуда оно и вытекает. В смысле электрического тока он будет течь по всем подключенным проводникам. Понять, по каким проводам потек ток, гораздо сложнее. Факт, что ток появляется в источнике питания и возвращается туда же, выполнив по дороге свои полезные функции.

Электроны не всегда могут быть согласны с вами

У недорогих бюджетных камер часто один из контактов питания соединяется с общим проводом камеры. Результат – появление земляной петли, и часть видеосигнала уходит по проводу питания.

Если рассматривать систему из одной камеры и одного монитора, то это не имеет значения. Но если камер много, то мы тут же попадаем в неприятную ситуацию, а именно, – получаем помеху на одном из мониторов в виде серых привидений (сигнала от другой камеры).

Чем толще будет провод и меньше выходное сопротивление ИП, тем меньше будет проявляться этот эффект, но полностью от него избавиться можно только в случае применения камер, имеющих питание переменным током и встроенный изолирующий трансформатор питания.

Вы не один в этом мире

Ваша система работает не где-то в космосе, все гораздо прозаичнее. Ваше оборудование подключено к розеткам 220 В, некоторые устройства заземлены. А вокруг миллионы ампер, перемещающихся в разные стороны мимо объекта. Что для них вся ваша система? В большинстве случаев, конечно, ничего не горит, зато мы имеем массу помех, способных наглухо забить сигнал в сети.

Чтобы избежать этих проблем камеры устанавливаются изолированными. Заземляют кожух, но саму камеру от кожуха изолируют. Но не все можно отгорадить от земли. Например, подавляющее большинство мониторов сделаны без двойной изоляции, соответственно, их нужно заземлять. Потому, если сигналу приходится путешествовать на большие расстояния, то земляная петля возникнет почти наверняка. Правда, есть различные изолирующие трансформаторы, есть системы передачи по оптическому волокну, но это довольно дорого. Правда, выбора все равно нет, и при создании больших систем этим приходится пользоваться.

Волны в кабеле

Наиболее распространенный метод передачи сигнала в наше время – коаксиальный кабель. Так получилось не случайно. Этот тип кабеля достаточно надежен и недорог. Но проблема в том, что электромагнитные колебания хоть и очень быстро распространяются, но не мгновенно. Так что колебания сигнала, сформированного на выходе камеры, не приведут к моментальному изменению картинки на мониторе. Электромагнитная волна будет передвигаться со скоростью света (на самом деле в кабеле волна будет распространяться почти вдвое медленнее), но, тем не менее, это конечная скорость.

Волновое сопротивление

Всем известно, что существует такое понятие, как «импеданс» или «волновое сопротивление». Не будем вдаваться в детали, просто напомним, что оно означает величину резистора, который может быть подключен к кабелю. При этом волна, передвигающаяся по кабелю, полностью уйдет в этот резистор, как если бы он являлся бесконечным продолжением провода. Это вообще нетривиальный факт, но для нас важно то, что в такой ситуации волна полностью уйдет в приемник сигнала.

Отражение сигнала

Когда согласование нарушено, то некоторая часть волны будет отражаться, примерно 30%. Происходит так, например, если в систему видеонаблюдения, рассчитанную на использование кабеля с импедансом 75 Ом, поставлен компьютерный кабель с импедансом в 50 Ом. Отраженная волна отправится обратно к камере, там тоже отразится. Как результат получим на приемном конце две волны: основную и отраженную (уже пробежавшуюся по кабелю туда-обратно лишний раз). Конечно, эта волна будет слабее раз в 10 основной. Но, что хуже всего, она будет отставать от основного сигнала на несколько микросекунд. В результате получаем блеклых «привидений» на картинке. Похожий эффект дают отражения сигнала эфирного вещания от высотных зданий.

Сигнал делится пополам

Надеюсь, вы убедились в необходимости использования кабелей с правильным импедансом в 75 Ом. На это волновое сопротивление обычно рассчитана вся аппаратура, входящая в состав системы видеонаблюдения. У мониторов есть входное сопротивление в 75 Ом, у камер – аналогичное выходное. Заметим, что при отключении нагрузки сигнал, имеющийся на выходе камеры, будет больше номинального вдвое. Это может привести к тому, что будут перегружены входные цепи монитора, в лучшем случае ухудшится передача градаций серого цвета.

Отражения на скрутках

Вообще понятие «волновое сопротивление» имеет отношение только к идеальному кабелю, какого в природе и не бывает. Настоящий кабель не эквивалентен омическому сопротивлению, так что отражение все же происходит. Кроме того, кабель подключается только к разъему, тот, в свою очередь, подсоединен к схеме и только там находится согласующее сопротивление. Понятно, что здесь мы не получим точно такое же сопротивление, какое было установлено на срезе кабеля. Все эти переходные элементы делают картину вовсе не идеальной и однозначно нарушают согласование. Не так страшно, если эти элементы находятся близко к концу кабеля. Чтобы отражение стало достаточно заметным отраженной волне нужно пробежать максимально возможную дистанцию в обе стороны, при этом она будет сильно ослабевать. А вот если кабель порван и наращен «скруткой» посередине – это гораздо хуже. Отраженный сигнал будет достаточно сильно смещен, да и при этом не успеет достаточно затухнуть в кабеле.

Распределенное отражение

Сам кабель тоже не может быть идеальным. Даже если он не был поврежден при прокладке, то он изначально неоднороден. Дефекты, перепады составов проводника и диэлектрика – все это влияет на ситуацию.

Распределенное отражение приводят в техдокументации на кабель. Это хоть и не главный, но один из показателей, по которому определяют, лучше или хуже кабель.

Затухание сигнала

А этот параметр гораздо важнее. При этом нужно учитывать, что на разных частотах затухание будет разным.

Высокочастотное затухание – потери в диэлектрике

Обычно для кабеля приводят значение затухания на частоте 100-500 МГц. В лучшем случае – на частоте 10 МГц. Этот параметр крайне важен, если вам нужно передавать телевизионный модулированный сигнал, Низкочастотный сигнал, который и применяется обычно в видеонаблюдении, имеет полосу 50 Гц – 5 Мгц. Это хорошо, ведь на низких частотах меньше затухание. Но с другой стороны, это просто огромный диапазон, и частоты будут затухать по-разному: одни сильнее, другие слабее. В результате имеем искажение сигнала, с которым уже никакой усилитель не справится.

Низкочастотное затухание – по сопротивлению постоянному току

Серьезной проблемой часто становится затухание по низким частотам, иначе говоря, – по постоянному току. Вообще волновое сопротивление определяют по соотношению диаметра центральной жилы и диаметра экрана. У узких кабелей жила слишком тонкая, соответственно имеет большое омическое сопротивление. Например, у РК-75-4 центральная жила на стометровом отрезке формирует сопротивление в 5 Ом. Для тоненького РК-75-1.5 это сопротивление будет в разы выше, соответственно уменьшится и максимально допустимая длина.

А ведь кроме этого бывают еще кабели с скин-слоем (жила стальная, покрыта тонким слоем меди). Они дешевле и прочнее, но работать могут только с высокочастотным сигналом, поскольку имеют очень большое сопротивление.

Фазовые искажения

Но неравномерность АЧХ – это еще далеко не самое страшное. Можно более-менее компенсировать проблемы регулировкой усиления в специальном усилителе-корректоре.

Но есть еще и фазовые искажения, которые связаны с тем, что на разных частотах волны распространяются с разными скоростями. И исправить такие искажения практически невозможно. Эффект этот проявляется как звон или размывание контуров объектов. Причина проста: уж очень велик перепад частот (100 тысяч раз). Независимо от используемых материалов мы получим скорости на разных частотах, отличающиеся на несколько процентов. И чем больше будет расстояние, тем непригоднее будет качество картинки.

Некоторые кабели чуть хуже, некоторые – лучше, но разница очень невелика, поскольку все определяется диэлектриком, а выбор их невелик. Единственный, кто резко выделяется на общем фоне – кабель с вакуумной изоляцией, но и стоит он очень дорого.

Так что не стоит верить утверждениям, что НЧ сигнал можно передать больше, чем на километр. Передать получится, но это будет уже не сигнал, а что-то непонятное. Потому на большие дистанции сигнал передается исключительно модулированным, обычно на высокочастотной несущей, вплоть до использования оптоволокна.