Какво е GND във веригата?

При изследване на електронни схеми разберете концепцията за GND (земята) и неговите множество роли в дизайна на веригата.GND, като основен елемент в електронните схеми, не само осигурява референтната потенциална точка на веригата, но също така играе важна роля в производителността, стабилността и безопасността на веригата.От основната защита на безопасността на домакинските уреди до модерни приложения в сложно електронно оборудване, ролята и прилагането на GND са представени в много аспекти и тяхната сложност.Тази статия има за цел да предостави задълбочена дискусия за различните видове GND, как работят и тяхното значение в дизайна на веригата, за да се осигури цялостна перспектива за разбирането на този критичен компонент.

Какво е GND (земята)?

GND е съкращението за земята.GND стои за земята или 0 тел.

Земята може да се отнася и до Земята, която не е истинска основа, а предполагаемо основание за целите на приложението.Свързва електрическото оборудване със земята, за да предотврати излагане на потребителя на високи напрежения.

Различни „основания“ във веригата

Заземяването е основна характеристика на безопасността на електрическите системи.Основната му цел е да гарантира безопасната работа на електрическото оборудване, особено тези с метални тела, като домакински хладилници, перални или фурни.По дизайн тялото на тези устройства не трябва да бъде на живо.При действителна употреба обаче фюзелажът може да бъде случайно зареден поради вътрешни разломи, като стареене или повреда на изолационните материали.Ако оборудването не е заземено, живото тяло директно ще причини риска от токов удар при докосване на оборудването.За да се предотврати това, свързването на тялото на оборудването със земята чрез специален наземен проводник гарантира, че всеки неправилно насочен ток е безопасно насочен към земята, а не чрез човешкото тяло, докосващо оборудването.Съставът на заземяването на електрическото оборудване е показан на фигурата по -долу.

Съставът на заземяването на електрическото оборудване

На техническо ниво заземяването обикновено разчита на физическа връзка със заземен тел или заземен прът.Единият край на тези заземени проводници е свързан към метална част от оборудването, а другият край е свързан към заземяването на сградата или е погребан директно под земята.Този метод на връзка ефективно създава безопасен път, така че в случай на вътрешна повреда всеки изтичащ ток е ефективно насочен към земята, като по този начин се избягва рискът от токов удар.

В някои високорискови среди, в допълнение към основната си роля за безопасност, заземяването може да се използва и във връзка с други устройства за безопасност, като например устройства за течение на течовете (RCD).Функцията на тези устройства е да наблюдават дали токът, който се влива в и извън устройството, е балансиран.Ако се открие дисбаланс (което показва, че токът може да тече през други анормални пътища, като човешкото тяло), устройството незабавно ще отреже мощността, за да предотврати токов удар.

В специално електрическо оборудване заземяването играе по-разнообразна роля, като например в медицинско оборудване или лабораторно оборудване с висока точност, където се използва не само за защита на персонала, но и за осигуряване на точната работа на оборудването и за предотвратяване на електромагнитни смущения.В такива случаи проектирането и прилагането на заземяването трябва да бъде по -прецизно и сложно, за да отговори на специфичните изисквания за безопасност и функционални.

GND играе много важна роля в дизайна на електронните вериги.Ролята му може да бъде анализирана в дълбочина от следните технически измерения:

Единият е да се осигури референтен потенциал.GND обикновено осигурява общата референтна потенциална точка във веригата.Всички напрежения във верига се измерват спрямо GND, което означава, че точката на GND се определя като нулева точка на напрежение.Обща референтна потенциална точка гарантира правилни нива на напрежение между компонентите на веригата и точното предаване на сигнала.

Второто е образуването на текущи пътища.Във всяка верига токът трябва да има пълен път на цикъла, за да извърши правилна работа.GND осигурява пътя на тока, който да тече от захранването към товарната част на веригата (например, транзистор, резистор и т.н.) и след това обратно към захранването през GND, образувайки пълен път на цикъла.

Третата е екранирането на електромагнитните смущения (EMI).Най -важната роля на GND в дизайна на веригата е да намали външните смущения, особено EMI.Чрез заземяване на чувствителната част на веригата, интерфериращите сигнали могат да бъдат ефективно отклонени към земята, като по този начин се предпазват веригата от EMI.

Четвъртото е да се подобри производителността и стабилността на веригата.Добрият дизайн на заземяване може значително да подобри общата производителност и стабилността на веригата.Използването на звездна земя или многоточкова стратегия за заземяване може да сведе до минимум потенциалните разлики, причинени от заземяващи проводници, като по този начин намалява шума и изкривяването в сигналния път.Например, при високоскоростни цифрови схеми, правилните методи за заземяване могат да намалят отраженията на сигнала и кръстосаните разговори, като по този начин подобряват целостта на сигнала.

Петият е механизмът за защита на сигурността.В случай на състояние на повреда, като късо съединение или повредено оборудване, GND осигурява безопасен път за изхвърляне на тока.Това помага бързо да се отклони излишният ток, предотвратявайки електрически пожари или повреди на оборудването.В допълнение, заземяването помага да се гарантира безопасността на оператора и предотвратява риска от токов удар поради повреда на оборудването.

Чрез горния анализ можем да видим, че GND е не само основен елемент в дизайна на електронните вериги, но и ключа за поддържане на производителността, стабилността и безопасността на веригата.По време на процеса на проектиране различните видове вериги имат различни изисквания за GND.Следователно инженерите трябва внимателно да обмислят стратегията за заземяване, за да гарантират оптимизирането и безопасността на дизайна на веригата.Независимо дали в проста схема или сложна интеграция на системата, разумната стратегия за заземяване е основата за постигане на ефективни, надеждни и безопасни електронни продукти.

4.1 Аналогов заземен Agnd

Analog Ground AGND се използва главно в аналогови схеми, особено в приложения, включващи слаби аналогови сигнали, като схеми за придобиване на ADC и оперативни усилватели.В такива вериги, поради чувствителността и слабостта на аналоговите сигнали, те са изключително податливи на големи токови смущения от други вериги.Без специализиран AGND, тези големи токове могат да доведат до значителни спадове на напрежението в аналогови вериги, причинявайки изкривяване на сигнала и дори повреда на веригата в тежки случаи.Следователно присъствието на AGND е важно за поддържане на целостта и точността на аналоговите сигнали.

4.2 Digital Ground DGND

Digital Ground DGND е различен от аналоговия наземен AGND, особено в приложения в цифрови вериги, като например вериги за откриване на ключове, USB комуникационни вериги и схеми на микроконтролер.Основна характеристика на цифровите схеми е, че сигналите, които те обработват, са дискретни, което означава, че сигналът се променя само между две състояния, обикновено идентифицирани като цифрово "0" и цифров "1."Както е показано по -долу.

Обработка на цифрови вериги

Тези състояния съответстват на различни нива на напрежение, обикновено "0" представлява ниско ниво, а "1" представлява високо ниво.Бързи промени в напрежението настъпват, когато цифрова верига преминава от състояние "0" в състояние "1" или обратно.Тези промени включват не само самото напрежение, но и придружаващите промени в тока.Според електромагнитната теория на Максуел промените в този ток генерират променящо се магнитно поле около нея, което от своя страна създава електромагнитни смущения (EMI), което може да причини смущения в други компоненти във веригата или в съседни вериги.За да намали въздействието на тази електромагнитна намеса върху цялостната производителност на веригата, дизайнерите обикновено използват независим цифров назем DGND.В сравнение с аналоговата земя (AGND), DGND е специално проектиран за цифрови схеми, за да осигури стабилна референтна точка и ефективно изолиране на електромагнитни смущения, генерирани от цифрови сигнали.Това помага да се намали общото ниво на шум в веригата, като по този начин се подобрява целостта на сигнала и надеждността на веригата.

В сложни системи, особено тези, които съдържат както аналогови, така и цифрови части, е важно да се прави разлика между DGND и AGND.Тъй като аналоговите сигнали са по -чувствителни към шума, разделянето на DGND и AGND могат да гарантират, че аналоговата част не е повлияна от електромагнитни смущения, причинени от цифрово превключване на сигнала.По време на процеса на проектиране и оформление на платката (PCB), поставянето на DGNDS трябва да бъде внимателно обмислено, за да се избягва образуването на контури, което може да причини текущи контурни смущения.Правилно поставените DGNDs спомагат за оптимизиране на целостта на сигнала и намаляване на излъчваните и проведени смущения.

4.3 Захранване PGND

В нашия живот веригите ще бъдат разделени на вериги с ниска мощност и вериги с висока мощност.Аналоговият заземен AGND или цифровата наземна DGND, споменати по-горе, са вериги с ниска мощност.За тези вериги с висока мощност, като вериги на двигателя, вериги на задвижване на соленоидни клапани и др.В веригите с висока мощност величината и изменението на тока имат по-изразен ефект върху заземяващия систем, отколкото в веригите с ниска мощност.Следователно, в сравнение с аналоговия AGND с ниска мощност или цифровия назем DGND, може да се каже, че PGND на захранването е специално проектиран да се справи с тези високи токове и да гарантира стабилността на веригата.

В тези вериги с висока мощност значителното увеличение на тока може лесно да доведе до компенсиране на земята между различни функционални вериги.Това изместване възниква, когато основната референтна точка (GND) изживее спад на напрежението поради високия ток.Например, да предположим, че е проектирана верига, която изисква стабилизирано напрежение от 5V, но поради компенсиране в земята.В този случай референтната точка на GND може да се повиши от 0V до 1V, което ще доведе до спад на действителното напрежение до 4V (5V-1V = 4V), като по този начин ще се отрази на общата производителност и надеждността на веригата.Следователно, при проектиране на вериги с висока мощност, трябва да се обърне специално внимание на оформлението и внедряването на PGND.Правилният PGND дизайн може да сведе до минимум ефектите на компенсиране на земята и да гарантира стабилността на захранването.Опитайте да използвате по -дебели проводници, специализирани заземяващи слоеве или да проектирате множество точки за заземяване, за да разпространите тока, като по този начин намалите спада на напрежението в една точка.

В допълнение, PGND също така помага за намаляване на електромагнитните смущения (EMI), причинени от високи токове.Като предоставя стабилна референция на земята, PGND помага за намаляване на шума и смущения във веригите, особено в приложения, където електромагнитната съвместимост (EMC) е специално внимание.

4.4 Захранване GND

Analog Ground Agnd, Digital Ground DGND и Power Ground PGND принадлежат към категорията на DC Ground GND.Тези различни видове основания в крайна сметка се събират, за да образуват референтната основа 0V за цялата верига, която е GND на захранването.Напрежението и токът на всички вериги произхождат от захранването.Следователно, GND на захранването става основата и отправната точка на всички вериги.Това обяснява защо в крайна сметка трябва да се обединят различни видове основания на GND, за да се гарантира общата консистенция и стабилност на веригата.

4.5 Обменно място CGND

AC Ground CGND обикновено се появява в проекти за вериги, съдържащи източници на променлив ток, като AC-DC на фигурата по-долу.В тези вериги, тъй като предната част на веригата е част от променлив ток, а задната част се преобразува в постоянен ток, неизбежно се формират две различни заземни точки: едната за променливотоковата част, а другата за DC частта.За да гарантират консистенцията на веригата, инженерите обикновено свързват двете заземяващи точки през съединителя кондензатор или индуктор, за да обединят променливотоковото заземяване и DC земята.

DC и AC

4.6 Ground EGND

Напрежението за безопасност на човешкото тяло обикновено се счита за напрежение по -ниско от 36V.Когато напрежението надвишава този праг, това може да причини вреда, ако се приложи върху човешко тяло.Следователно, когато проектират вериги с високо напрежение и висок ток, инженерите често прилагат EGND за повишаване на безопасността.Това е често срещано в веригите на домакински уреди като вентилатори, хладилници и телевизори.На фигурата е показана гнездо със заземяване на EGND защита.

Гнездо със заземяване на EGND

220V AC изисква само живи и неутрални проводници.Защо домакинските гнезда имат 3 терминала?

Обикновено захранването от 220V променлив ток изисква само два проводника: горещ проводник (горещ проводник) и неутрален проводник (неутрален проводник).Гневниците за домакински уреди обикновено включват трети терминал, земният заземен тел EGND.Добавянето на този трети терминал, въпреки че не участва в основната функция на веригата, осигурява критична защита на безопасността.Когато възникне повреда вътре в електрическия уред, като например повреда на изолацията, причинявайки наелектрифициране на тялото, той осигурява безопасен път за бягство за ток.По този начин всеки неправилно насочен ток е насочен към земята, а не чрез човешкото тяло, докосващо устройството, което значително намалява риска от токов удар.Следователно, съществува ясна разлика в значението на веригата между EGND и други видове наземни проводници GND.EGND не участва пряко в основната функция на веригата.Специално проектиран за повишаване на безопасността, той се свързва със Земята, за да осигури стабилна референтна точка на земята и провежда електричество по време на ненормални условия за защита на оборудването и потребителите от високи напрежения.

Прилагането на EGND в дизайна на веригата не се ограничава до домакински уреди.EGND е необходима мярка за безопасност във всеки дизайн на веригата, включваща високо напрежение или ток.Той помага да се гарантира, че оперативната безопасност се поддържа дори в случай на повреда на оборудването или други необичайни обстоятелства.

В електронния дизайн на веригата концепцията за GND на заземяването изглежда проста, но съдържа разнообразие от различни функции и класификации, което прави привидно прост проблем с веригата доста сложен.И така, защо има толкова много подразделения на функциите за заземяване на GND?Най -общо казано, когато инженерите проектират вериги, те често назовават всички наземни проводници на GND просто като GND и не ги различават в схематичния дизайн.Въпреки че този подход е прост в експлоатация, той ще доведе до поредица от проблеми, особено в етапа на окабеляване на PCB, където е трудно ефективно да се идентифицират и се справят с GND заземяващите проводници с различни функции на веригата.

Що се отнася до въпроса за сигналната кръстовища, когато GND с различни функции са директно свързани, особено когато GND на верига с висока мощност се смесва с GND на верига с ниска мощност, той може да окаже влияние върху референтната точка на 0V на Theверига с ниска мощност.Такъв метод на окабеляване може лесно да причини кръстосани разговори между различни вериги, като по този начин влияе върху работата на веригата.Например, в система, съдържаща високоскоростни цифрови схеми и прецизни аналогови схеми, ако същите GND се споделят, високочестотните операции за превключване в цифровите схеми могат да причинят значителни колебания на напрежението по споделения път на GND.Тези колебания се разпространяват по пътя на GND, влияещи върху работата на аналоговите вериги.Следователно е идеално да се използват отделни GND равнини или следи, за да се намали тази взаимна намеса.

При проектирането на по -сложни системи за вериги, управлението на GND става по -сложно.Например, в проект на системата на веригата, който включва както аналогови, така и цифрови подсистеми, когато AGND на аналогова схема е свързан към CGND на променливотоковото захранване, стабилността на AGND може да бъде повлияна от периодични промени в CGND.Напрежението при CGND на променливотоковото захранване се колебае периодично, докато DC Ground GND обикновено остава постоянно при 0V.Това колебание може да се разпространи в аналоговата верига, причинявайки отклонения в референтното напрежение.За да се избегне това, често срещан подход е да се използват техники за изолация или да се използва отделна AGND равнина, за да се гарантира прецизността и точността на сигнала.

Електромагнитната съвместимост (EMC) е важно съображение в дизайна на веригата, а оформлението на GND също има значително влияние върху EMC.Когато са свързани GND с различни вериги, веригата с по -силния сигнал може директно да пречи на веригата с по -слабия сигнал.Тази намеса може да доведе до веригата със по -слабия сигнал да се превърне в източник на електромагнитно излъчване от по -силен външен източник, което прави EMC боравенето с веригата по -трудно.Ако сте загрижени за този тип проблеми, помислете за техники като филтриране, екраниране и посветени подравняване на GND по време на дизайна, за да сведете до минимум появата на такива ситуации на смущения.

EMC филтър

И накрая, колкото по -малко сигнални връзки между веригите, толкова по -голяма е способността им да работят независимо.Напротив, колкото повече сигнални връзки има, толкова по -слаба е способността на всяка верига да работи независимо.Ако са свързани заземяващите проводници на вериги с различни функции, това е еквивалентно на добавяне на потенциална връзка за смущения между веригите, което може да намали общата надеждност на веригата.Например, ако няма пресичане между две системи A и B, функционалността на системата А няма да повлияе на нормалната работа на система В и обратно.Но ако наземните проводници на тези системи са смесени, може да се въведат ненужни смущения, влияещи върху стабилността и надеждността на веригата.

Като цяло ролята на GND в електронния дизайн на веригата надхвърля обикновената точка на заземяване.От осигуряването на основна електрическа безопасност до осигуряване на точна и стабилна работа на веригите, значението на GND не може да бъде игнорирано.Това, че множеството класификации и сложните принципи на работа изискват инженерите да приемат сложни и обмислени стратегии при проектирането и прилагането на схеми.Независимо дали в обикновените електрически уреди в ежедневието или технологичните продукти от висок клас, разумната стратегия за заземяване е основата за постигане на ефективни, надеждни и безопасни електронни продукти.Следователно, за всеки проект, включващ електронни схеми, задълбоченото разбиране на характеристиките и приложенията на GND е от ключово значение за успешния дизайн.