Kaj je GND v vezju?

Pri raziskovanju elektronskih vezij razumejte koncept GND (ozemljitve) in njegovih več vlog v oblikovanju vezja.GND kot osnovni element v elektronskih vezjih ne zagotavlja le referenčne potencialne točke vezja, ampak ima tudi pomembno vlogo pri zmogljivosti, stabilnosti in varnosti vezja.Od osnovne varnostne zaščite gospodinjskih naprav do naprednih aplikacij v zapleteni elektronski opremi sta vloga in izvajanje GND predstavljena v mnogih vidikih in njihovi zapletenosti.Ta članek je namenjen poglobljeni razpravi o različnih vrstah BND, kako delujejo, in njihov pomen pri oblikovanju vezja, da bi zagotovili izčrpen pogled na razumevanje te kritične komponente.

Kaj je GND (Ground)?

GND je okrajšava za tla.GND pomeni zemeljsko ali 0 žico.

Ground se lahko nanaša tudi na Zemljo, ki ni resnično zemlja, ampak predpostavljena podlago za namene uporabe.Električno opremo povezuje na tla, da prepreči, da bi bil uporabnik izpostavljen visokim napetosti.

Različna "razgladi" v vezju

Ozemljitev je temeljna varnostna značilnost električnih sistemov.Njegov glavni namen je zagotoviti varno delovanje električne opreme, zlasti tistih s kovinskimi telesi, kot so gospodinjski hladilniki, pralni stroji ali pečice.Po oblikovanju telesa teh naprav ne bi smelo biti v živo.Vendar se lahko v dejanski uporabi trup po naključju zaračuna zaradi notranjih napak, kot sta staranje ali poškodba izolacijskih materialov.Če oprema ni prizemljena, bo živo telo neposredno povzročilo tveganje za električni šok, ko se dotakne opreme.Da bi to preprečili, povezovanje telesa opreme na tla prek namenskega zemeljskega prevodnika zagotavlja, da je vsak napačno usmerjen tok varno usmerjen na tla, ne pa skozi človeško telo, ki se dotakne opreme.Sestava ozemljitve električne opreme je prikazana na spodnji sliki.

Sestava ozemljitve električne opreme

Na tehnični ravni se ozemljitev običajno opira na fizično povezavo z ozemljitvijo ali ozemljitvijo palice.En konec teh zemeljskih žic je povezan s kovinskim delom opreme, drugi konec pa je povezan s ozemljitvenim sistemom stavbe ali je pokopan neposredno pod zemljo.Ta metoda povezave učinkovito ustvarja varno pot, tako da je v primeru notranje napake vsak puščeni tok učinkovito usmerjen na tla, s čimer se izogne ​​tveganju za električni šok.

V nekaterih tveganih okoljih se lahko poleg svoje osnovne varnostne vloge uporabi tudi ozemljitev v povezavi z drugimi varnostnimi napravami, kot so naprave za puščanje trenutnih naprav (RCD).Funkcija teh naprav je spremljanje, ali je tok, ki teče v napravo in iz nje, uravnotežen.Če se zazna neravnovesje (kar kaže, da tok lahko teče po drugih nenormalnih poteh, kot je človeško telo), bo naprava takoj prekinila moč, da prepreči električni udar.

V posebni električni opremi ima ozemljitev bolj raznoliko vlogo, na primer v medicinski opremi ali z visoko natančno laboratorijsko opremo, kjer se ne uporablja samo za zaščito osebja, ampak tudi za zagotovitev natančnega delovanja opreme in za preprečevanje elektromagnetnih motenj.V takih primerih morata biti zasnova in izvajanje ozemljitve natančnejša in zapletena, da bo ustrezala posebnim varnostnim in funkcionalnim zahtevam.

GND ima zelo pomembno vlogo pri oblikovanju elektronskega vezja.Njegovo vlogo je mogoče poglobljeno analizirati iz naslednjih tehničnih razsežnosti:

Eno je zagotoviti referenčni potencial.GND običajno zagotavlja skupno točko referenčnega potenciala v vezju.Vse napetosti v vezju se merijo glede na GND, kar pomeni, da je točka GND opredeljena kot ničelna napetostna točka.Skupna točka referenčnega potenciala zagotavlja pravilne napetostne ravni med komponentami vezja in natančnim prenosom signala.

Drugi je tvorba trenutnih poti zanke.V katerem koli vezju mora imeti tok popolno pot zanke za pravilno delovanje.GND zagotavlja pot, da tok pretaka iz napajanja do obremenitvenega dela vezja (npr. Tranzistor, upor itd.) In nato nazaj do napajanja skozi GND, kar tvori popolno pot toka.

Tretji je zaščita elektromagnetnih motenj (EMI).Najpomembnejša vloga GND pri zasnovi vezja je zmanjšanje zunanjih motenj, zlasti EMI.Z ozemljitvijo občutljivega dela vezja je mogoče moteče signale učinkovito odbiti na tla in tako zaščititi vezje pred EMI.

Četrti je izboljšanje zmogljivosti in stabilnosti vezja.Dober ozemljitveni dizajn lahko znatno izboljša celovito zmogljivost in stabilnost vezja.Uporaba zvezdnega ozemljitve ali večtočkovne strategije ozemljitve lahko zmanjša potencialne razlike, ki jih povzročajo ozemljitvene žice, s čimer zmanjša hrup in popačenje v signalni poti.Na primer, v digitalnih vezjih z visokimi hitrostmi lahko pravilne metode ozemljitve zmanjšajo odseve signala in prekrivanje, kar izboljša celovitost signala.

Peti je mehanizem za varstvo varnostne zaščite.V primeru pogoja napake, kot je kratek stik ali poškodovana oprema, GND zagotavlja varno pot za odvajanje toka.To pomaga hitro preprečiti presežek toka, prepreči električne požare ali poškodbe opreme.Poleg tega ozemljitev pomaga zagotoviti varnost operaterja in preprečuje tveganje za električni šok zaradi okvare opreme.

Z zgornjo analizo lahko vidimo, da GND ni samo osnovni element v zasnovi elektronskega vezja, ampak tudi ključ za vzdrževanje zmogljivosti, stabilnosti in varnosti vezja.Med postopkom načrtovanja imajo različne vrste vezij različne zahteve za GND.Zato morajo inženirji skrbno razmisliti o strategiji ozemljitve, da bi zagotovili optimizacijo in varnost zasnove vezja.Ne glede na to, ali je v preprostem oblikovanju vezja ali zapleteni sistemski integraciji, je razumna strategija ozemljitve osnova za doseganje učinkovitih, zanesljivih in varnih elektronskih izdelkov.

4.1 Analogna tla AGND

Analogni zemeljski Agnd se uporablja predvsem v analognih vezjih, zlasti v aplikacijah, ki vključujejo šibke analogne signale, kot so vezje za pridobivanje ADC in operativna ojačevalna vezja.V takšnih vezjih so zaradi občutljivosti in šibkosti analognih signalov izjemno dovzetni za velike motnje v toku drugih vezij.Brez namenskega AGND lahko ti veliki tokovi ustvarijo znatne padce napetosti v analognih vezjih, kar v hudih primerih povzroči izkrivljanje signala in celo odpoved vezja.Zato je prisotnost AGND pomembna za ohranjanje celovitosti in natančnosti analognih signalov.

4.2 Digitalna tla DGND

Digitalni ozemljitev DGND se razlikuje od analognih zemeljskih AGND, zlasti v aplikacijah v digitalnih vezjih, kot so vezja za zaznavanje ključev, komunikacijska vezja USB in vezja mikrokontrolerja.Osrednja značilnost digitalnih vezij je, da so signali, ki jih obdelujejo, diskretni, kar pomeni, da se signal spreminja med samo dvema stanjem, običajno opredeljen kot digitalni "0" in digitalnim "1." 1. "Kot je prikazano spodaj.

Obdelava digitalnega vezja

Ta stanja ustrezajo različnim napetostnim nivojem, običajno "0" predstavlja nizko raven, "1" pa visoko raven.Hitre spremembe napetosti se pojavijo, ko digitalno vezje preklopi iz stanja "0" v stanje "1" ali obratno.Te spremembe vključujejo ne samo napetost, ampak tudi spremljajoče spremembe v toku.Po Maxwellovi elektromagnetni teoriji spremembe v tem toku ustvarijo spreminjajoče se magnetno polje okoli njega, kar posledično ustvarja elektromagnetne motnje (EMI), kar lahko povzroči motnje na druge komponente v vezju ali na sosednja vezja.Da bi zmanjšali vpliv te elektromagnetne motnje na celotno zmogljivost vezja, oblikovalci običajno uporabljajo neodvisno digitalno ozemljitev DGND.V primerjavi z analognimi tlemi (AGND) je DGND posebej zasnovan za digitalna vezja, da zagotovi stabilno referenčno točko in učinkovito izolira elektromagnetne motnje, ki jih ustvarjajo digitalni signali.To pomaga zmanjšati celotno raven hrupa vezja in tako izboljšati celovitost signala in zanesljivost vezja.

V zapletenih sistemih vezja, zlasti tistih, ki vsebujejo analogne in digitalne dele, je pomembno razlikovati med DGND in AGND.Ker so analogni signali bolj občutljivi na hrup, lahko ločevanje DGND in AGND zagotovi, da na analognega dela ne vplivajo elektromagnetne motnje, ki ga povzroča digitalno preklop signala.Med načrtovanjem in postopkom postavitve vezja (PCB) je treba skrbno razmisliti o namestitvi DGND, da se izognete oblikovanju zank, kar lahko povzroči motnje trenutne zanke.Pravilno nameščeni DGND pomagajo optimizirati celovitost signala in zmanjšati sevane in izvedene motnje.

4.3 Power Ground PGND

V našem življenju bodo tokokroge razdeljene na vezje z nizko močjo in vezje z veliko močjo.Zgoraj omenjeni analogni agnd ali digitalni ozemljitvi so vezja z nizko močjo.Za ta vezja z visoko močjo, kot so vezja motorja, pogonski vezje magnetne ventila itd., Obstaja tudi posebna referenčna tla, imenovana Power Ground PGND.V vezjih z visoko močjo imata velikost in variacijo toka izrazitejši učinek na ozemljitveni sistem kot v vezjih z nizko močjo.Zato lahko v primerjavi z analognim AGND z nizko močjo ali digitalnim ozemljitvijo DGND lahko rečemo, da je PGND napajalni ozemljitev posebej zasnovan za obvladovanje teh visokih tokov in zagotavljanje stabilnosti vezja.

V teh vezjih z visoko močjo lahko znatno povečanje toka zlahka povzroči odmik tal med različnimi funkcionalnimi vezji.Ta premik se zgodi, ko referenčna točka ozemljitve (GND) doživi padec napetosti zaradi visokega prehoda.Recimo, da je zasnovano vezje, ki zahteva stabilizirano napetost 5V, vendar zaradi odmika v tleh.V tem primeru se lahko referenčna točka GND dvigne z 0V na 1V, kar bo povzročilo padec dejanske napetosti na 4V (5V-1V = 4V), kar vpliva na skupno delovanje in zanesljivost vezja.Zato je treba pri oblikovanju vezij z visoko močjo posebno pozornost nameniti postavitvi in ​​izvajanju PGND.Pravilna zasnova PGND lahko zmanjša učinke odmika tal in zagotovi stabilnost napajanja.Poskusite uporabiti debelejše žice, namenske ozemljitvene plasti ali oblikovati več ozemljitvenih točk, da razširite tok in tako zmanjšate padec napetosti na eni točki.

Poleg tega PGND pomaga tudi zmanjšati elektromagnetne motnje (EMI), ki jih povzročajo visoki tokovi.Z zagotavljanjem stabilne reference na tleh PGND pomaga zmanjšati hrup in motnje v vezjih, zlasti v aplikacijah, kjer je elektromagnetna združljivost (EMC) posebna pozornost.

4.4 Power Ground GND

Analogna tla AGND, digitalna tla DGND in Power Ground PGND vsi spadajo v kategorijo DC Ground GND.Te različne vrste razlogov se sčasoma združijo, da tvorijo 0V referenčno tla za celotno vezje, to je GND Ground GND.Napetost in tok vseh vezij izvirata iz napajanja.Zato GND napajanja postane temelj in izhodišče vseh vezij.To pojasnjuje, zakaj je treba na koncu združiti različne vrste razlogov, da bi zagotovili splošno doslednost in stabilnost vezja.

4.5 Menjalniško mesto CGND

AC Ground CGND se običajno pojavlja v projektih vezja, ki vsebujejo vire napajanja, na primer AC-DC na spodnji sliki.V teh vezjih, ker je sprednji del vezja del AC in se zadnji del pretvori v DC, se neizogibno oblikujeta dve različni točki: ena za AC del, drugi za DC del.Da bi zagotovili konsistenco vezja, inženirji običajno povežejo dve ozemljitveni točki skozi sklopko kondenzatorja ali induktorja, da poenotijo ​​izmenično ozemljitev in DC ozemljitev.

DC in AC

4.6 Ground EGND

Varnostna napetost človeškega telesa se na splošno šteje za napetost nižja od 36 V.Ko napetost preseže ta prag, lahko povzroči škodo, če se nanese na človeško telo.Zato inženirji pri oblikovanju visokonapetostnih in visokotokovnih vezij pogosto izvajajo EGND za izboljšanje varnosti.To je običajno v vezjih gospodinjskih aparatov, kot so oboževalci, hladilniki in televizorji.Na spodnji sliki je prikazana vtičnica z zemeljsko zaščito EGND.

Vtičnica z zemeljsko zaščito EGND

220V AC zahteva samo žive in nevtralne žice.Zakaj imajo vtičnice za gospodinjske naprave 3 terminale?

Običajno je za napajanje 220 V AC potrebno le dve žici: vročo žico (vroča žica) in nevtralno žico (nevtralna žica).Vtičnice za gospodinjske aparate običajno vključujejo tretji terminal, zemeljsko žico EGND.Dodatek tega tretjega terminala, čeprav ne sodeluje v glavni funkciji vezja, zagotavlja kritično varnostno zaščito.Kadar se v električni aparati pojavi napaka, kot je izolacijska poškodba, ki povzroči elektrificiranje telesa, zagotavlja varno pot za pobeg za tok.Tako je vsak napačno usmerjen tok usmerjen na tla, ne pa skozi človeško telo, ki se dotakne naprave, kar močno zmanjša tveganje za električni šok.Zato obstaja jasna razlika v tokokrogu med EGND in drugimi vrstami ozemljitvenih žic GND.EGND ni neposredno vključen v glavno funkcijo vezja.Posebej zasnovan za izboljšanje varnosti, se povezuje z zemljo, da zagotovi stabilno referenčno točko tal in v nenormalnih pogojih prevozi elektriko, da zaščiti opremo in uporabnike pred visokimi napetostmi.

Uporaba EGND v zasnovi vezja ni omejena na gospodinjske aparate.EGND je nujen varnostni ukrep v kateri koli zasnovi vezja, ki vključuje visoko napetost ali tok.Pomaga zagotoviti, da se operativna varnost ohranja tudi v primeru okvare opreme ali drugih nenavadnih okoliščin.

Pri oblikovanju elektronskega vezja se zdi koncept GNE Grow Wire GND preprost, vendar vsebuje različne različne funkcije in klasifikacije, zaradi česar je na videz preprost problem vezja precej zapleten.Torej, zakaj obstaja toliko pododdelkov funkcij GND ozemljitve?Na splošno, ko inženirji oblikujejo vezja, pogosto poimenujejo vse žice GND ozemljitve preprosto kot GND in jih ne razlikujejo v shematični zasnovi.Čeprav je ta pristop preprost pri obratovanju, bo povzročil vrsto težav, zlasti v fazi ožičenja PCB, kjer je težko učinkovito prepoznati in ravnati z GND ozemljitvenimi žicami različnih funkcij vezja.

Glede vprašanja signala Crosstalk, kadar so GND različnih funkcij neposredno povezani, še posebej, če je GND vezja z visoko močjo pomešan z GND vezja z nizko močjo, lahko vpliva na referenčno točko 0Vvezje z nizko močjo.Takšna metoda ožičenja lahko zlahka povzroči signalno prekrivanje med različnimi vezji, kar vpliva na delovanje vezja.Na primer, v sistemu, ki vsebuje digitalne tokokroge za visoke hitrosti in natančna analogna vezja, če je isti GND skupni, lahko visokofrekvenčni preklopni operaciji v digitalnih vezjih povzroči znatno nihanje napetosti na poti GND v skupni rabi.Ta nihanja se širijo po GND poti, kar vpliva na delovanje analognih vezij.Zato je idealno uporabiti ločene ravnine GND ali sledi za zmanjšanje te medsebojne motnje.

Pri oblikovanju bolj zapletenih sistemov vezja postane upravljanje GND bolj zapleteno.Na primer, v projektu vezja, ki vključuje tako analogne kot digitalne podsisteme, ko je Agnd analognega vezja povezan s CGND napajalnika AC, lahko na stabilnost AGND vplivajo periodične spremembe v CGND.Napetost pri CGND napajalnika AC občasno niha, medtem ko DC ozemljitev GND na splošno ostane konstantna pri 0V.To nihanje se lahko širi na analogni vezje, kar povzroči odstopanja v referenčni napetosti.Da bi se temu izognili, je skupni pristop uporaba izolacijskih tehnik ali uporaba ločene ravnine AGND za zagotovitev natančnosti in natančnosti signala.

Elektromagnetna združljivost (EMC) je pomemben dejavnik pri zasnovi vezja, postavitev GND pa pomembno vpliva tudi na EMC.Ko so priključeni BND različnih vezij, lahko vezje z močnejšim signalom neposredno moti vezje s šibkejšim signalom.Ta motnja lahko povzroči, da vezje s šibkejšim signalom postane vir elektromagnetnega sevanja iz močnejšega zunanjega vira, zaradi česar oteži ravnanje z EMC vezja.Če vas skrbi ta vrsta težav, razmislite o tehnikah, kot so filtriranje, zaščita in namenske poravnave GND med zasnovo, da zmanjšate pojav takšnih motenj.

EMC filter

Končno, manj ko je signalnih povezav med sistemi vezja, večja je njihova sposobnost samostojnega delovanja.Nasprotno, več kot je signalnih povezav, šibkejša je sposobnost vsakega vezja, da deluje samostojno.Če so priključene ozemljitvene žice vezja z različnimi funkcijami, je enakovredno dodajanju potencialne interferenčne povezave med vezji, kar lahko zmanjša splošno zanesljivost vezja.Na primer, če med dvema sistemima A in B ni preseka, funkcionalnost sistema A ne bo vplivala na normalno delovanje sistema B in obratno.Če pa so mešane ozemljitvene žice teh sistemov, se lahko uvedejo nepotrebne motnje, ki vplivajo na stabilnost in zanesljivost vezja.

Na splošno vloga GND v zasnovi elektronskega vezja presega preprosto ozemljitveno točko.Od zagotavljanja osnovne električne varnosti do zagotavljanja natančnega in stabilnega delovanja vezij, pomena BND ni mogoče prezreti.To je več klasifikacij in zapletena delovna načela zahtevajo, da inženirji pri oblikovanju in izvajanju vezij sprejmejo prefinjene in premišljene strategije.Ne glede na to, ali v običajnih električnih aparatih v vsakdanjem življenju ali tehnoloških izdelkih višjega cenovnega razreda, je razumna strategija ozemljitve osnova za doseganje učinkovitih, zanesljivih in varnih elektronskih izdelkov.Zato je za vsak projekt, ki vključuje elektronske vezje, temeljito razumevanje značilnosti in aplikacij GND ključno za uspešno zasnovo.