Kas yra GND grandinėje?

Tyrinėdami elektronines grandines, supraskite GND (žemės) koncepciją ir daugybę jos vaidmenų kuriant grandinės dizainą.GND, kaip pagrindinis elektroninių grandinių elementas, ne tik suteikia grandinės atskaitos potencialo tašką, bet ir vaidina svarbų vaidmenį grandinės našume, stabilume ir saugume.Nuo pagrindinės buitinių prietaisų saugos apsaugos iki patobulintų programų sudėtingoje elektroninėje įrangoje, GND vaidmuo ir įgyvendinimas pateikiami daugeliu aspektų ir jų sudėtingumo.Šiuo straipsniu siekiama išsamiai aptariant įvairių GND tipų, kaip jie veikia, ir jų svarba kuriant grandinės dizainą, kad būtų išsami požiūris į šio kritinio grandinės komponento supratimo perspektyvą.

Kas yra GND (žemė)?

GND yra žemės santrumpos.GND žymi ant žemės arba 0 laidų.

Žemė taip pat gali reikšti žemę, kuri nėra tikra, bet numanoma pagrindus taikymo tikslais.Prijunkite elektros įrangą prie žemės, kad vartotojas negalėtų paveikti aukštos įtampos.

Įvairūs „pagrindai“ grandinėje

Įžeminimas yra pagrindinė elektros sistemų saugos bruožas.Pagrindinis tikslas yra užtikrinti saugų elektros įrangos, ypač su metaliniais kūnais, eksploatavimu, pavyzdžiui, buitiniais šaldytuvais, skalbimo mašinomis ar krosnelėmis.Pagal dizainą šių prietaisų kūnas neturėtų būti gyvas.Tačiau, naudojant faktiškai, fiuzeliažas gali būti netyčia įkrautas dėl vidinių gedimų, tokių kaip senėjimas ar izoliacijos medžiagų pažeidimas.Jei įranga nebus įžeminta, gyvas kūnas tiesiogiai sukels elektros smūgio riziką liečiant įrangą.Norėdami to išvengti, įrangos korpuso prijungimas prie žemės per specialų žemės laidininką užtikrina, kad bet kuri neteisinga srovė būtų saugiai nukreipta į žemę, o ne per žmogaus kūną, liečiantį įrangą.Elektros įrangos įžeminimo sudėtis parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje.

Elektros įrangos įžeminimo sudėtis

Techniniu lygmeniu įžeminimas paprastai priklauso nuo fizinio ryšio su žemės viela ar žemės strypu.Vienas šių įžeminimo laidų galas yra prijungtas prie metalinės įrangos dalies, o kitas galas yra prijungtas prie pastato įžeminimo sistemos arba palaidotas tiesiai po žeme.Šis ryšio metodas efektyviai sukuria saugų kelią, kad vidinio gedimo atveju bet kokia nutekėjusi srovė būtų veiksmingai nukreipta į žemę, taip išvengiant elektros smūgio rizikos.

Kai kuriose didelės rizikos aplinkose, be pagrindinio saugos vaidmens, įžeminimas taip pat gali būti naudojamas kartu su kitais saugos prietaisais, tokiais kaip nuotėkio srovės įtaisai (RCD).Šių prietaisų funkcija yra stebėti, ar dabartinė įtaiso ir iš jo esanti srovė yra subalansuota.Jei aptinkamas disbalansas (tai rodo, kad srovė gali tekėti per kitus nenormalius kelius, tokius kaip žmogaus kūnas), prietaisas nedelsdamas nutrauks galią, kad būtų išvengta elektros smūgio.

Specialioje elektros įrangoje įžeminimas vaidina įvairesnį vaidmenį, pavyzdžiui, medicinos įrangoje ar aukšto tikslumo laboratorinėje įrangoje, kur ji naudojama ne tik apsaugoti personalą, bet ir užtikrinti tikslų įrangos veikimą ir užkirsti kelią elektromagnetiniams trukdžiams..Tokiais atvejais įvarčio projektavimas ir įgyvendinimas turi būti tikslesnis ir sudėtingesnis, kad būtų patenkinti konkretūs saugos ir funkciniai reikalavimai.

GND vaidina labai svarbų vaidmenį kuriant elektroninę grandinę.Jo vaidmuo gali būti išsamiai išanalizuotas iš šių techninių aspektų:

Vienas iš jų yra suteikti atskaitos potencialą.GND paprastai suteikia bendrą atskaitos potencialo tašką grandinėje.Visos grandinės įtampos matuojamos GND atžvilgiu, o tai reiškia, kad GND taškas yra apibrėžiamas kaip nulinės įtampos taškas.Bendras etaloninio potencialo taškas užtikrina teisingą įtampos lygį tarp grandinės komponentų ir tikslaus signalo perdavimo.

Antrasis yra dabartinių kilpų kelių formavimasis.Bet kurioje grandinėje srovė turi turėti visą kilpos kelią, kad būtų galima tinkamai veikti.GND suteikia srovei kelią tekėti iš maitinimo šaltinio į grandinės apkrovos dalį (pvz., Tranzistorių, rezistorių ir kt.) Ir tada atgal į maitinimo šaltinį per GND, sudarydamas visą srovės kilpos kelią.

Trečiasis yra elektromagnetinių trukdžių (EMI) ekranavimas.Svarbiausias GND vaidmuo grandinės projektavime yra sumažinti išorinius trukdžius, ypač EMI.Įvadus jautrią grandinės dalį, trukdančius signalus galima veiksmingai nustumti į žemę, taip apsaugant grandinę nuo EMI.

Ketvirtasis yra pagerinti grandinės našumą ir stabilumą.Geras įžeminimo dizainas gali žymiai pagerinti bendrą grandinės našumą ir stabilumą.Naudojant žvaigždės žemės ar kelių taškų įžeminimo strategiją, galite sumažinti potencialius skirtumus, kuriuos sukelia žemės laidai, taip sumažinant triukšmą ir iškraipymą signalo kelyje.Pavyzdžiui, greitaeigių skaitmeninių grandinių atveju teisingi įžeminimo metodai gali sumažinti signalo atspindžius ir skerspjūvį ir taip pagerinti signalo vientisumą.

Penktasis yra saugumo apsaugos mechanizmas.Jei gedimo būklė, pavyzdžiui, trumpas jungimas ar pažeista įranga, GND suteikia saugų kelią srovei išleisti.Tai padeda greitai nugrimzti į srovę, užkertant kelią elektros gaisrams ar įrangos pažeidimui.Be to, įžeminimas padeda užtikrinti operatoriaus saugumą ir apsaugo nuo elektros smūgio rizikos dėl įrangos gedimo.

Atlikdami aukščiau pateiktą analizę, matome, kad GND yra ne tik pagrindinis elektroninės grandinės projektavimo elementas, bet ir raktas į grandinės našumo, stabilumo ir saugos palaikymo raktą.Projektavimo proceso metu skirtingų tipų grandinės turi skirtingus GND reikalavimus.Todėl inžinieriai turi atidžiai apsvarstyti įžeminimo strategiją, kad užtikrintų grandinės projekto optimizavimą ir saugumą.Nesvarbu, ar tai paprasta grandinės projektavimas, ar sudėtinga sistemos integracija, pagrįsta įžeminimo strategija yra pagrindas pasiekti efektyvius, patikimus ir saugius elektroninius produktus.

4.1 Analoginis žemės ūkis

„Analog Ground AGND“ daugiausia naudojamas analoginėse grandinėse, ypač programose, apimančiose silpnus analoginius signalus, tokius kaip ADC įsigijimo grandinės ir eksploatavimo stiprintuvo grandinės.Tokiose grandinėse dėl analoginių signalų jautrumo ir silpnumo jie yra ypač jautrūs dideliam srovei iš kitų grandinių.Be tam skirto AGND, šios didelės srovės gali sukelti reikšmingą įtampos kritimą analoginėse grandinėse, sukeldami signalo iškraipymą ir netgi grandinės nepakankamumą sunkiais atvejais.Todėl AGND buvimas yra reikšmingas norint išlaikyti analoginių signalų vientisumą ir tikslumą.

4.2 Skaitmeninis gruntas DGND

Skaitmeninis pagrindas DGND skiriasi nuo analoginio žemės AGND, ypač programose skaitmeninėse grandinėse, tokiose kaip raktų aptikimo grandinės, USB ryšių grandinės ir mikrovaldiklio grandinės.Pagrindinė skaitmeninių grandinių savybė yra ta, kad jų apdorojami signalai yra atskirti, tai reiškia, kad signalas keičiasi tik tarp dviejų būsenų, paprastai identifikuojamų kaip skaitmeninis „0“ ir skaitmeninis „1.“Kaip parodyta žemiau.

Skaitmeninės grandinės apdorojimas

Šios būsenos atitinka skirtingus įtampos lygius, paprastai „0“ reiškia žemą lygį, o „1“ reiškia aukštą lygį.Spartus įtampos pokyčiai įvyksta, kai skaitmeninė grandinė pereina iš „0“ būsenos į „1“ būseną arba atvirkščiai.Šie pokyčiai apima ne tik pačią įtampą, bet ir lydinčius srovės pokyčius.Remiantis Maxwello elektromagnetine teorija, šios srovės pokyčiai sukelia aplink jį besikeičiantį magnetinį lauką, kuris savo ruožtu sukuria elektromagnetinius trukdžius (EMI), kurie gali sukelti kišimąsi į kitus grandinės komponentus ar gretimas grandines.Norėdami sumažinti šio elektromagnetinių trukdžių poveikį bendram grandinės našumui, dizaineriai paprastai naudoja nepriklausomą skaitmeninį gruntą DGND.Palyginti su „Analog Ground“ (AGND), DGND yra specialiai sukurtas skaitmeninėms grandinėms, kad būtų stabilus atskaitos taškas ir efektyviai išskirtų elektromagnetinius trukdžius, kuriuos sukuria skaitmeniniai signalai.Tai padeda sumažinti bendrą grandinės triukšmo lygį, taip pagerinant signalo vientisumą ir grandinės patikimumą.

Sudėtingose ​​grandinės sistemose, ypač tose, kuriose yra ir analoginės, ir skaitmeninės dalys, svarbu atskirti DGND ir AGND.Kadangi analoginiai signalai yra jautresni triukšmui, DGND ir AGND atskyrimas gali užtikrinti, kad analoginei daliai nepaveiktų elektromagnetinių trukdžių, kuriuos sukelia skaitmeninio signalo perjungimas.Projektavimo ir PCB projektavimo ir išdėstymo proceso metu reikia atidžiai apsvarstyti DGND išdėstymą, kad būtų išvengta susidarymo kilpų, kurios gali sukelti srovės kilpos trukdžius.Tinkamai išdėstyti DGND padeda optimizuoti signalo vientisumą ir sumažinti spinduliuotę bei atlikti trukdžius.

4.3 „Power Ground PGND“

Mūsų gyvenime grandinės bus padalintos į mažos galios grandines ir didelės galios grandines.Aukščiau paminėta analoginė žemės AGND arba skaitmeninė grunta yra mažos galios grandinės.Šioms didelės galios grandinėms, tokioms kaip variklio pavaros grandinės, solenoidinio vožtuvo pavaros grandinės ir kt., Taip pat yra specialus atskaitos pagrindas, vadinamas „Power Ground PGND“.Didelės galios grandinėse srovės dydis ir kitimas turi ryškesnį poveikį įžeminimo sistemai nei mažos galios grandinėse.Todėl, palyginti su mažos galios analoginiu žemės paviršiaus AGND arba skaitmeniniu gruntu DGND, galima sakyti, kad galios žemės paviršiaus PGND yra specialiai sukurtas šioms didelėms srovėms valdyti ir užtikrinti grandinės stabilumą.

Šiose didelės galios grandinėse didėjant srovės padidėjimui galima lengvai sukelti žemės poslinkį tarp skirtingų funkcinių grandinių.Šis poslinkis įvyksta, kai žemės atskaitos taškas (GND) patiria įtampos kritimą dėl didelės srovės praėjimo.Pvz., Tarkime, kad grandinė yra sukurta, kuriai reikalinga stabilizuota 5 V įtampa, tačiau dėl poslinkio žemės.Tokiu atveju GND atskaitos taškas gali pakilti nuo 0 V iki 1 V, todėl tikroji įtampa sumažės iki 4 V (5 V-1V = 4 V), taigi paveiks bendrą grandinės veikimą ir patikimumą.Todėl projektuojant didelės galios grandines, reikia atkreipti ypatingą dėmesį į PGND išdėstymą ir įgyvendinimą.Tinkamas PGND dizainas gali sumažinti žemės poslinkio poveikį ir užtikrinti maitinimo šaltinio stabilumą.Pabandykite naudoti storesnius laidus, skirtus įžeminimo sluoksnius arba suprojektuodami kelis įžeminimo taškus, kad paskirstytumėte srovę, taip sumažindami įtampos kritimą viename taške.

Be to, PGND taip pat padeda sumažinti elektromagnetinius trukdžius (EMI), kurią sukelia didelės srovės.Pateikdamas stabilią žemės nuorodą, PGND padeda sumažinti triukšmą ir trukdžius į grandines, ypač tose programose, kuriose ypatingas aspektas yra elektromagnetinis suderinamumas (EMC).

4.4 Galios žemės GND

„Analog Ground Agnd“, „Digital Ground DGND“ ir „Power Ground PGND“ priklauso DC žemės GND kategorijai.Šios skirtingos rūšies pagrindai galiausiai susilieja, kad sudarytų 0 V visos grandinės atskaitos pagrindą, tai yra galios žemės GND.Visų grandinių įtampa ir srovė kyla iš maitinimo šaltinio.Todėl maitinimo šaltinio GND tampa visų grandinių pagrindu ir pradiniu tašku.Tai paaiškina, kodėl galiausiai reikia sujungti įvairių tipų pagrindus į „Power Ground GND“, kad būtų užtikrintas bendras grandinės nuoseklumas ir stabilumas.

4.5 mainų vieta cgnd

AC Ground CGND paprastai rodomas grandinių projektuose, kuriuose yra kintamos srovės maitinimo šaltiniai, pavyzdžiui, AC-DC žemiau esančiame paveikslėlyje.Šiose grandinėse, kadangi priekinė grandinės dalis yra kintamos srovės dalis, o galinė dalis paverčiama DC, neišvengiamai suformuojami du skirtingi žemės taškai: viena - kintamajai dalies, o kita - nuolatinės srovės dalies.Norėdami užtikrinti grandinės konsistenciją, inžinieriai paprastai jungia du žemės taškus per jungties kondensatorių ar induktorių, kad suvienytų kintamos srovės ir nuolatinės srovės žemę.

DC ir AC

4.6 Žemė Egnd

Žmogaus kūno saugos įtampa paprastai laikoma mažesnė nei 36 V įtampa.Kai įtampa viršija šią ribą, ji gali pakenkti žmogaus kūnui.Todėl projektuodami aukštos įtampos ir didelės srovės grandines, inžinieriai dažnai įgyvendina EGND, kad padidintų saugumą.Tai būdinga buitinių prietaisų, tokių kaip ventiliatoriai, šaldytuvai ir televizoriai, grandinėse.Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas lizdas su žemės apsauga.

Lizdas su žemės apsauga

220 V AC reikia tik gyvų ir neutralių laidų.Kodėl namų apyvokos prietaisų lizdai turi 3 terminalus?

Paprastai 220 V kintamosios srovės maitinimo šaltinis reikalauja tik dviejų laidų: karšto vielos (karštos vielos) ir neutralios vielos (neutralios vielos).Lizdai buitiniams prietaisams paprastai apima trečiąjį terminalą, Žemės žemės vielą.Šio trečiojo terminalo pridėjimas, nors jis nedalyvauja pagrindinėje grandinės funkcijoje, suteikia kritinę apsaugą saugai.Kai elektros prietaiso viduje atsiranda gedimas, pavyzdžiui, izoliacijos pažeidimas, dėl kurio kūnas tampa elektrifikuotas, jis suteikia saugų srovės pabėgimo kelią.Tokiu būdu bet kokia neteisinga srovė nukreipta į žemę, o ne per žmogaus kūną, liečiantį prietaisą, labai sumažinant elektros smūgio riziką.Todėl yra aiškus grandinės reikšmės skirtumas tarp EGND ir kitų rūšių įžemintų laidų GND.EGND nėra tiesiogiai susijęs su pagrindine grandinės funkcija.Konkrečiai sukurta siekiant sustiprinti saugumą, jis jungiasi su žeme, kad būtų stabilus žemės atskaitos taškas ir vykdo elektrą nenormaliomis sąlygomis, kad apsaugotų įrangą ir vartotojus nuo aukštos įtampos.

EGND pritaikymas grandinės projekte neapsiriboja buitiniais prietaisais.EGND yra būtina saugos priemonė bet kuriame grandinės konstrukcijoje, apimančioje aukštą įtampą ar srovę.Tai padeda užtikrinti, kad operatyvinė sauga būtų išlaikyta net esant įrangos gedimui ar kitoms neįprastoms aplinkybėms.

Elektroninės grandinės projektavimo metu žemės paviršiaus vielos GND koncepcija atrodo paprasta, tačiau joje yra įvairių funkcijų ir klasifikacijų, todėl atrodo, kad paprasta grandinės problema yra gana sudėtinga.Taigi, kodėl yra tiek daug GND įžeminimo funkcijų padalinių?Apskritai, kai inžinieriai projektuoja grandines, jie dažnai įvardija visus GND žemės laidus tiesiog kaip GND ir neišskiria jų schemos dizaine.Nors šis požiūris veikia paprastas, jis sukels daugybę problemų, ypač PCB laidų stadijoje, kur sunku efektyviai identifikuoti ir tvarkyti skirtingų grandinės funkcijų GND žemės laidus.

KalbantMažos galios grandinė.Toks laidų metodas gali lengvai sukelti signalo skersinį tarp skirtingų grandinių, taigi tai daro įtaką grandinės veikimui.Pvz., Sistemoje, kurioje yra greitaeigių skaitmeninių grandinių ir tikslios analoginės grandinės, jei tas pats GND yra bendrinamas, aukšto dažnio perjungimo operacijos skaitmeninėse grandinėse gali sukelti reikšmingų įtampos svyravimų bendrame GND keliu.Šie svyravimai sklinda per GND kelią, darydami įtaką analoginių grandinių veikimui.Todėl, norint sumažinti šį abipusį trukdį, idealu naudoti atskiras GND plokštumas ar pėdsakus.

Projektuojant sudėtingesnes grandinių sistemas, GND valdymas tampa sudėtingesnis.Pavyzdžiui, projekte „Circuit System“, apimančiame ir analoginius, ir skaitmeninius posistemius, kai analoginės grandinės AGND yra prijungtas prie kintamosios srovės maitinimo CGND, AGND stabilumą gali paveikti periodiniai CGND pokyčiai.Kintamosios srovės maitinimo CGND įtampa periodiškai svyruoja, o nuolatinės srovės žemės GND paprastai išlieka pastovi 0 V.Šis svyravimas gali sklisti į analoginę grandinę, sukeldami atskaitos įtampos nuokrypius.Norint to išvengti, bendras požiūris yra naudoti izoliacijos metodus arba naudoti atskirą AGND plokštumą, kad būtų užtikrintas signalo tikslumas ir tikslumas.

Elektromagnetinis suderinamumas (EMC) yra svarbus aspektas projektuojant grandinę, o GND išdėstymas taip pat daro didelę įtaką EMC.Kai sujungtos skirtingų grandinių GND, grandinė su stipresniu signalu gali tiesiogiai trukdyti grandinei su silpnesniu signalu.Dėl šios trukdžių, kai silpnesnis signalas, grandinė gali tapti elektromagnetinės spinduliuotės šaltiniu iš stipresnio išorinio šaltinio, todėl EMC yra sunkiau tvarkyti grandinę.Jei nerimaujate dėl tokio tipo problemos, apsvarstykite tokius metodus kaip filtravimas, ekranas ir specialūs GND suderinimai projektavimo metu, kad sumažintumėte tokių trukdžių situacijų atsiradimą.

EMC filtras

Galiausiai, kuo mažiau signalo jungčių tarp grandinių sistemų, tuo didesnė jų galimybė veikti savarankiškai.Priešingai, kuo daugiau signalo jungčių yra, tuo silpnesnė kiekvienos grandinės sistemos sugebėjimas veikti savarankiškai.Jei sujungti skirtingos funkcijos su skirtingomis funkcijomis žemės laidai, tai prilygsta potencialiam trikdžių ryšiui tarp grandinių, o tai gali sumažinti bendrą grandinės patikimumą.Pvz., Jei tarp dviejų grandinių A ir B grandinių sistemų nėra sankryžos, A sistemos funkcionalumas neturės įtakos normaliam B sistemos veikimui ir atvirkščiai.Bet jei šių sistemų žemės laidai yra nevienodi, gali būti įvesti nereikalingi trukdžiai, kurie paveikia grandinės stabilumą ir patikimumą.

Apskritai GND vaidmuo elektroninės grandinės projektavimo srityje peržengia paprastą įžeminimo tašką.Negalima ignoruoti GND svarbos užtikrinimo iki tikslios ir stabilios grandinių veikimo užtikrinimo.Projektuojant ir įgyvendindami grandines, tai reikalauja, kad daugybiniai klasifikacijos ir sudėtingi darbo principai reikalauja, kad inžinieriai priimtų sudėtingas ir apgalvotas strategijas.Nesvarbu, ar įprastuose elektros prietaisuose kasdieniame gyvenime, ar aukščiausios klasės technologijos produktai, pagrįsta įžeminimo strategija yra pagrindas pasiekti efektyvius, patikimus ir saugius elektroninius produktus.Todėl bet kokiam projektui, kuriame dalyvauja elektroninės grandinės, išsamus GND charakteristikų ir programų supratimas yra raktas į sėkmingą dizainą.