Mi a GND az áramkörben?

Az elektronikus áramkörök feltárása során megértse a GND (föld) fogalmát és annak többszörös szerepét az áramkör tervezésében.A GND, mint az elektronikus áramkörök alapvető eleme, nemcsak az áramkör referenciapotenciálját biztosítja, hanem fontos szerepet játszik az áramkör teljesítményében, stabilitásában és biztonságában is.A háztartási készülékek alapvető biztonsági védelmétől kezdve a fejlett alkalmazásokig a komplex elektronikus berendezésekben, a GND szerepét és megvalósítását számos szempontból és összetettségükben mutatják be.Ez a cikk célja, hogy mélyreható vitát kezdjen a GND különféle típusairól, azok működéséről és azok jelentőségéről az áramköri tervezésben, hogy átfogó perspektívát biztosítsanak e kritikus áramköri összetevő megértéséhez.

Mi az a GND (föld)?

A GND a föld rövidítése.A GND a föld vagy a 0 vezetéket jelenti.

A föld a Földre is utalhat, amely nem valódi talaj, hanem feltételezett alap a pályázati célokra.Összekapcsolja az elektromos berendezéseket a talajhoz, hogy megakadályozzák a felhasználót, hogy a nagyfeszültségűek legyenek.

Különböző „talaj” az áramkörben

A földelés az elektromos rendszerek alapvető biztonsági tulajdonsága.Fő célja az elektromos berendezések, különösen a fémtestekkel rendelkező, például háztartási hűtőszekrények, mosógépek vagy sütők biztonságos működésének biztosítása.A tervezés szerint ezeknek az eszközöknek a testének nem szabad élni.A tényleges használat során azonban a törzset véletlenül fel lehet tölteni a belső hibák, például az öregedés vagy a szigetelő anyagok károsodása miatt.Ha a berendezés nincs földelve, akkor az élő test közvetlenül okozhatja az áramütés kockázatát a berendezés megérintésekor.Ennek megakadályozása érdekében a berendezés testének a földhöz való csatlakoztatása egy dedikált földi vezetőn keresztül biztosítja, hogy minden tévesen irányított áram biztonságosan a földre irányuljon, nem pedig az emberi testen keresztül, amely megérinti a berendezést.Az elektromos berendezések földelésének összetételét az alábbi ábra mutatja.

Az elektromos berendezések földelés összetétele

Műszaki szinten a földelés általában fizikai csatlakozásra támaszkodik a földhuzalhoz vagy a talajrúdhoz.Ezen őrölt vezetékek egyik vége a berendezés fém részéhez van csatlakoztatva, a másik vég pedig az épület földi rendszeréhez van csatlakoztatva, vagy közvetlenül a föld alatti eltemetve.Ez a csatlakozási módszer hatékonyan hoz létre egy biztonságos utat, így belső hiba esetén a kiszivárgott áram ténylegesen a földre irányul, ezáltal elkerülve az áramütés kockázatát.

Bizonyos magas kockázatú környezetben az alapvető biztonsági szerepe mellett a földelést más biztonsági eszközökkel, például szivárgásáramú eszközökkel (RCD) is használhatjuk.Ezeknek az eszközöknek az a funkciója, hogy megfigyelje, hogy az eszköz az eszközbe és onnan áramlik -e kiegyensúlyozott -e.Ha egyensúlyhiányt észlelnek (jelezve, hogy az áram más rendellenes útvonalakon, például az emberi testön átfolyhat), akkor az eszköz azonnal levágja az energiát az áramütés megakadályozása érdekében.

Különleges elektromos berendezésekben a földelés változatosabb szerepet játszik, például orvosi berendezésekben vagy nagy pontosságú laboratóriumi berendezésekben, ahol nemcsak a személyzet védelmére, hanem a berendezés pontos működésének biztosítása és az elektromágneses interferencia megelőzése érdekében is használják.-Ilyen esetekben a földelés megtervezésének és megvalósításának pontosabbnak és összetettebbnek kell lennie, hogy megfeleljen a konkrét biztonsági és funkcionális követelményeknek.

A GND nagyon fontos szerepet játszik az elektronikus áramkör tervezésében.Szerepét a következő technikai dimenzióktól kezdve mélyebben lehet elemezni:

Az egyik az, hogy referenciapotenciált biztosítson.A GND általában biztosítja az áramkör általános referenciapotenciális pontját.Az áramkör összes feszültségét a GND -hez viszonyítva mérjük, ami azt jelenti, hogy a GND pontot nulla feszültségpontként definiálják.Egy általános referenciapotenciál biztosítja az áramköri komponensek és a pontos jelátvitel közötti helyes feszültségszintet.

A második az aktuális hurok útvonalak kialakulása.Bármely áramkörben az áramnak teljes hurok -útnak kell lennie a megfelelő működés végrehajtásához.A GND biztosítja az áram áramlásának útját az áramkörből az áramkör terhelési részéig (például tranzisztor, ellenállás stb.), Majd vissza az áramellátásba a GND -n keresztül, és egy teljes jelenlegi hurokútot képez.

A harmadik az elektromágneses interferencia (EMI) árnyékolás.A GND legfontosabb szerepe az áramkör kialakításában a külső interferencia, különösen az EMI csökkentése.Az áramkör érzékeny részének földelésével a zavaró jelek hatékonyan a földre kerülhetnek, ezáltal megvédve az áramkört az EMI -től.

A negyedik az áramkör teljesítményének és stabilitásának javítása.A jó földelés kialakítása jelentősen javíthatja az áramkör általános teljesítményét és stabilitását.A csillag föld vagy többpontos földelési stratégia használata minimalizálhatja a földhuzalok által okozott lehetséges különbségeket, ezáltal csökkentve a zajt és a torzulást a jelúton.Például a nagysebességű digitális áramkörökben a helyes földelési módszerek csökkenthetik a jel tükröződéseit és az áthallást, ezáltal javítva a jel integritását.

Az ötödik a biztonsági védelmi mechanizmus.Hibás állapot, például rövidzárlat vagy sérült berendezés esetén a GND biztonságos utat biztosít az áram ürítéséhez.Ez elősegíti a felesleges áram gyors eloszlatását, megakadályozva az elektromos tüzeket vagy a berendezések károsodását.Ezenkívül a földelés elősegíti a kezelő biztonságát, és megakadályozza az áramütés kockázatát a berendezés meghibásodása miatt.

A fenti elemzés révén láthatjuk, hogy a GND nemcsak az elektronikus áramkör kialakításának alapvető eleme, hanem az áramkör teljesítményének, stabilitásának és biztonságának fenntartásának kulcsa is.A tervezési folyamat során a különféle típusú áramkörök eltérő követelményekkel rendelkeznek a GND -re.Ezért a mérnököknek gondosan mérlegelniük kell a földi stratégiát az áramkör kialakításának optimalizálása és biztonságának biztosítása érdekében.Akár az egyszerű áramkör -tervezés, akár a komplex rendszerintegrációban, az ésszerű alapozási stratégia képezi a hatékony, megbízható és biztonságos elektronikus termékek elérésének alapját.

4.1 Analóg föld AGND

Az analóg földi AGND -t elsősorban analóg áramkörökben használják, különösen a gyenge analóg jelekkel járó alkalmazásokban, például az ADC -beszerzési áramkörökben és az operatív erősítő áramkörökben.Ilyen áramkörökben az analóg jelek érzékenysége és gyengesége miatt rendkívül hajlamosak a többi áramkör nagy áram -interferenciájára.Dedikált AGND nélkül ezek a nagy áramok jelentős feszültségcsökkenést eredményezhetnek az analóg áramkörökben, ami súlyos esetekben a jel torzulását és akár az áramköri meghibásodást okozhatja.Ezért az AGND jelenléte jelentős az analóg jelek integritásának és pontosságának fenntartása érdekében.

4.2 Digitális földi DGND

A digitális földi DGND különbözik az analóg földi AGND -től, különösen a digitális áramkörökben alkalmazott alkalmazásokban, például a kulcsmeghatározó áramkörökben, az USB kommunikációs áramkörökben és a mikrovezérlő áramkörökben.A digitális áramkörök alapvető jellemzője az, hogy az általuk feldolgozott jelek diszkrétek, vagyis a jel csak két állapot között változik, amelyeket általában digitális "0" és digitális "1" -ként azonosítanak.Az alábbiak szerint.

Digitális áramköri feldolgozás

Ezek az állapotok megfelelnek a különböző feszültségszinteknek, általában a "0" alacsony szintet képviselnek, az "1" magas szintet képvisel.A feszültség gyors változásai akkor fordulnak elő, amikor egy digitális áramkör "0" állapotról "1" állapotra vált, vagy fordítva.Ezek a változások nemcsak maga a feszültséget, hanem az áramhoz kapcsolódó változásokat is magukban foglalják.Maxwell elektromágneses elmélete szerint ebben az áramban bekövetkező változások változó mágneses mezőt hoznak létre, amely viszont elektromágneses interferenciát (EMI) hoz létre, ami interferenciát okozhat az áramkör más alkatrészeihez vagy a szomszédos áramkörökhöz.Annak csökkentése érdekében, hogy ennek az elektromágneses interferencianak az áramkör teljes teljesítményére gyakorolt ​​hatása, a tervezők általában független digitális földi DGND -t használnak.Az analóg talajhoz (AGND) összehasonlítva a DGND -t kifejezetten a digitális áramkörök számára tervezték, hogy stabil referenciapontot biztosítsanak és hatékonyan izolálják a digitális jelek által generált elektromágneses interferenciát.Ez elősegíti az áramkör általános zajszintjének csökkentését, ezáltal javítva a jel integritását és az áramkör megbízhatóságát.

Komplex áramköri rendszerekben, különösen az analóg és a digitális alkatrészek tartalmazó rendszerekben, fontos megkülönböztetni a DGND és az AGND között.Mivel az analóg jelek érzékenyebbek a zajra, a DGND és az AGND elválasztása biztosíthatja, hogy az analóg részt ne befolyásolja a digitális jelváltás által okozott elektromágneses interferencia.Az áramköri lap (PCB) tervezési és elrendezési eljárása során a DGND -k elhelyezését gondosan figyelembe kell venni a hurkok kialakulásának elkerülése érdekében, ami az aktuális hurok -interferenciát okozhatja.A megfelelően elhelyezett DGND -k elősegítik a jel integritásának optimalizálását, és csökkentik a sugárzott és a vezetett interferenciát.

4.3 Teljesítmény Ground PGND

Életünkben az áramköröket alacsony fogyasztású áramkörökre és nagy teljesítményű áramkörökre osztjuk.Az analóg földi AGND vagy a fent említett digitális földi DGND alacsony teljesítményű áramkörök.Ezeknek a nagy teljesítményű áramköröknek, például a motoros hajtásköröknek, a mágnesszelep-meghajtó áramköröknek stb. Esetében van egy speciális referenciahely is, az úgynevezett Power Ground PGND.A nagy teljesítményű áramkörökben az áram nagysága és variációja kifejezettebb hatással van a földelő rendszerre, mint az alacsony teljesítményű áramköröknél.Ezért, összehasonlítva az alacsony teljesítményű analóg földi AGND-vel vagy a Digital Ground DGND-vel, azt mondhatjuk, hogy a POTER Ground PGND kifejezetten ezen a nagy áramok kezelésére és az áramkör stabilitásának biztosítására szolgál.

Ezekben a nagy teljesítményű áramkörökben az áram jelentős növekedése könnyen talajtakarítást eredményezhet a különböző funkcionális áramkörök között.Ez az eltolódás akkor fordul elő, amikor a földi referenciapont (GND) feszültségcsökkenést tapasztal a nagy áram áthaladása miatt.Tegyük fel például, hogy egy olyan áramkört terveztek, amely 5 V stabilizált feszültséget igényel, de a földi eltolás miatt.Ebben az esetben a GND referenciapont 0 V-ról 1 V-ra emelkedhet, ami a tényleges feszültség 4 V-ra esik (5 V-1 V = 4V), ezáltal befolyásolja az áramkör általános teljesítményét és megbízhatóságát.Ezért a nagy teljesítményű áramkörök tervezésekor különös figyelmet kell fordítani a PGND elrendezésére és megvalósítására.A megfelelő PGND -kialakítás minimalizálhatja a földi eltolás hatásait és biztosíthatja az áramellátás stabilitását.Próbáljon meg vastagabb vezetékeket, dedikált földelő rétegeket vagy több földelési pont tervezését az áram eloszlásához, ezáltal csökkentve ezzel a feszültségcsökkenést egyetlen ponton.

Ezenkívül a PGND elősegíti a nagy áramok által okozott elektromágneses interferencia (EMI) csökkentését is.A stabil földi referencia biztosításával a PGND segít csökkenteni a zajt és az áramkörök interferenciáját, különösen azokban az alkalmazásokban, ahol az elektromágneses kompatibilitás (EMC) különös szempont.

4.4 Power Ground GND

Az analóg földi AGND, a Digital Ground DGND és a PORGE PGND mind a DC GND kategóriájába tartozik.Ezek a különféle típusok végül összejönnek, hogy a teljes áramkör 0 V referenciameretét képezzék, amely a GND teljesítmény -föld.Az összes áramkör feszültsége és árama az áramellátásból származik.Ezért az áramellátás GND -je az összes áramkör alapja és kiindulási pontja lesz.Ez megmagyarázza, hogy miért kell végső soron különféle típusú okokat összehozni az áramköri GND -hez az áramkör általános konzisztenciájának és stabilitásának biztosítása érdekében.

4.5 Exchange Place CGND

Az AC Ground CGND általában az AC energiaforrásokat tartalmazó áramköri projektekben jelenik meg, például az AC-DC-t az alábbi ábrán.Ezekben az áramkörökben, mivel az áramkör első része az AC rész, a hátsó rész pedig DC -re alakul, két különböző földi pontot képeznek elkerülhetetlenül: az egyik az AC részhez, a másik pedig a DC részhez.Az áramkör konzisztenciájának biztosítása érdekében a mérnökök általában a két földi pontot összekapcsolják egy kapcsoló kondenzátoron vagy induktoron keresztül, hogy egyesítsék az AC földet és az egyenáramot.

DC és AC

4.6 Ground Egnd

Az emberi test biztonsági feszültségét általában 36 V -nál alacsonyabb feszültségnek tekintik.Ha a feszültség meghaladja ezt a küszöböt, akkor árthat, ha emberi testre alkalmazzák.Ezért a nagyfeszültségű és nagy áramú áramkörök tervezésekor a mérnökök gyakran végrehajtják az EGND-t a biztonság fokozása érdekében.Ez gyakori a háztartási készülékek, például a ventilátorok, a hűtőszekrények és a televíziók körében.Az alábbi ábrán látható egy aljzat, amelynek földi EGND -védelme van.

Aljzat földi EGND -védelemmel

A 220 V AC csak élő és semleges vezetékeket igényel.Miért vannak a háztartási készülékek aljzatai 3 terminál?

Általában a 220 V -os áramkárosító tápegységnek csak két vezetéket igényel: egy forró huzal (forró huzal) és semleges huzal (semleges huzal).A háztartási készülékek aljzatai általában tartalmaznak egy harmadik terminált, a föld földhuzalának EGND -jét.A harmadik terminál hozzáadása, bár nem vesz részt az áramkör fő funkciójában, kritikus biztonsági védelmet nyújt.Ha hiba jelentkezik az elektromos készüléken belül, például a szigetelési károk, ami a test elektromossá válik, akkor biztonságos menekülési utat biztosít az áramhoz.Ilyen módon minden tévesen irányított áram a földre irányul, nem pedig az eszközt érintő emberi testen keresztül, ami jelentősen csökkenti az áramütés kockázatát.Ezért egyértelmű különbség van az áramkör jelentésében az EGND és más típusú földi vezetékek között.Az EGND nem vesz részt közvetlenül az áramkör fő funkciójában.Kifejezetten a biztonság fokozására tervezték, és csatlakozik a Földhöz, hogy stabil földi referenciapontot biztosítson, és rendellenes körülmények között villamos energiát végezzen a berendezések és a felhasználók nagyfeszültségektől való védelme érdekében.

Az EGND alkalmazása az áramköri tervezésben nem korlátozódik a háztartási készülékekre.Az EGND szükséges biztonsági intézkedés bármilyen áramköri kialakításban, amely nagy feszültséggel vagy árammal jár.Segít annak biztosításában, hogy az operatív biztonság fenntartható legyen még berendezés meghibásodása vagy más szokatlan körülmények esetén is.

Az elektronikus áramkör kialakításában a földi vezeték GND fogalma egyszerűnek tűnik, de számos különféle funkciót és osztályozást tartalmaz, ami egy látszólag egyszerű áramköri problémát meglehetősen bonyolult.Szóval, miért van olyan sok a GND földelő funkcióinak felosztása?Általánosságban elmondható, hogy amikor a mérnökök áramkört terveznek, gyakran az összes GND földhuzalt egyszerűen GND -nek nevezik, és nem különböztetik meg azokat a vázlatos kialakításban.Noha ez a megközelítés egyszerűen működik, problémákat okoz, különösen a PCB huzalozási szakaszában, ahol nehéz hatékonyan azonosítani és kezelni a különböző áramköri funkciók GND földhuzalait.

Ami a Signal Crosstalk kérdését illeti, amikor a különböző funkciók GND-je közvetlenül kapcsolódik, különösen akkor, ha a nagy teljesítményű áramkör GND-jét összekeverik az alacsony teljesítményű áramkör GND-jévelAlacsony teljesítményű áramkör.Egy ilyen kábelezési módszer könnyen okozhatja a jelátvitelt a különböző áramkörök között, ezáltal befolyásolva az áramkör teljesítményét.Például egy nagysebességű digitális áramköröket és precíziós analóg áramköröket tartalmazó rendszerben, ha ugyanaz a GND megosztott, a digitális áramkörökben a nagyfrekvenciás váltási műveletek jelentős feszültségingadozást okozhatnak a megosztott GND útvonalon.Ezek az ingadozások a GND útján terjednek, befolyásolva az analóg áramkörök teljesítményét.Ezért ideális különálló GND síkok vagy nyomok használata a kölcsönös interferencia csökkentésére.

A bonyolultabb áramköri rendszerek tervezésekor a GND kezelése összetettebbé válik.Például egy olyan áramköri rendszer projektben, amely magában foglalja mind az analóg, mind a digitális alrendszereket, amikor egy analóg áramkör AGND -jét csatlakoztatják az AC tápegység CGND -jéhez, az AGND stabilitását a CGND időszakos változásai befolyásolhatják.A váltakozó áramú tápellátás CGND -nél a feszültség periodikusan ingadozik, míg az egyenáramú GND általában 0 V -nél állandó marad.Ez az ingadozás az analóg áramkörre terjedhet, és eltéréseket okozhat a referenciafeszültségben.Ennek elkerülése érdekében az általános megközelítés az izolációs technikák használata vagy különálló AGND sík használata a jel pontosságának és pontosságának biztosítása érdekében.

Az elektromágneses kompatibilitás (EMC) fontos szempont az áramkör kialakításában, és a GND elrendezése szintén jelentős hatással van az EMC -re.Amikor a különböző áramkörök GND -jét csatlakoztatják, az erősebb jelű áramkör közvetlenül befolyásolhatja az áramkört a gyengébb jelhez.Ez az interferencia azt okozhatja, hogy a gyengébb jelű áramkör erősebb külső forrásból elektromágneses sugárzás forrásává válik, ami megnehezíti az áramkör EMC kezelését.Ha aggódik az ilyen típusú probléma miatt, fontolja meg az olyan technikákat, mint a szűrés, az árnyékolás és a dedikált GND igazítás a tervezés során, hogy minimalizálja az ilyen interferenciahelyzetek előfordulását.

EMC szűrő

Végül, minél kevesebb jelkapcsolat az áramköri rendszerek között, annál nagyobb a képességük önálló működési képessége.Éppen ellenkezőleg, minél több jelkapcsolat létezik, annál gyengébb az egyes áramköri rendszerek képessége, hogy önállóan működjön.Ha a különböző funkciókkal ellátott áramkörök földi vezetékei csatlakoztatnak, akkor az egyenértékű az áramkörök közötti potenciális interferencia kapcsolat hozzáadásával, ami csökkentheti az áramkör általános megbízhatóságát.Például, ha nincs kereszteződés a két A és B áramköri rendszer között, akkor az A rendszer funkcionalitása nem befolyásolja a B rendszer normál működését, és fordítva.De ha ezeknek a rendszereknek a földi vezetékei keverednek, akkor felesleges beavatkozást lehet bevezetni, befolyásolva az áramkör stabilitását és megbízhatóságát.

Összességében a GND szerepe az elektronikus áramkör kialakításában messze meghaladja az egyszerű földelési pontot.Az alapvető elektromos biztonság biztosításától az áramkörök pontos és stabil működésének biztosításáig a GND fontosságát nem lehet figyelmen kívül hagyni.Ez többszörös osztályozás, és az összetett munkavállalók megkövetelik a mérnökök számára, hogy kifinomult és átgondolt stratégiákat fogadjanak el az áramkörök megtervezése és végrehajtása során.Akár a mindennapi élet szokásos elektromos készülékeiben, akár a csúcskategóriás technológiai termékekben, az ésszerű alapvető stratégia képezi a hatékony, megbízható és biztonságos elektronikus termékek elérésének alapját.Ezért bármely elektronikus áramkörökkel foglalkozó projekt esetében a GND jellemzőinek és alkalmazásainak alapos megértése kulcsfontosságú a sikeres kialakításhoz.