Co je GND v obvodu?

Při zkoumání elektronických obvodů porozumíte konceptu GND (země) a jeho více rolí v návrhu obvodů.GND, jako základní prvek v elektronických obvodech, poskytuje nejen referenční potenciální bod obvodu, ale také hraje důležitou roli ve výkonu, stabilitě a bezpečnosti obvodu.Od základní ochrany bezpečnosti domácích zařízení po pokročilé aplikace ve složitých elektronických zařízeních je role a implementace GND prezentována v mnoha aspektech a jejich složitosti.Cílem tohoto článku je poskytnout hloubkovou diskusi o různých typech GND, o tom, jak fungují, a jejich důležitost v návrhu obvodů, aby poskytla komplexní pohled na pochopení této složky kritického obvodu.

Co je GND (země)?

GND je zkratka pro zem.GND stojí pro zem nebo 0 drátu.

Půda může také odkazovat na Zemi, která není skutečnou zemí, ale předpokládanou zemí pro účely aplikací.Spojuje elektrická zařízení na zem, aby se zabránilo vystavení uživatele na vysoké napětí.

Různé „pozemky“ v obvodu

Uzemnění je základní bezpečnostní rysem elektrických systémů.Jeho hlavním účelem je zajistit bezpečný provoz elektrických zařízení, zejména těch s kovovými těly, jako jsou ledničky pro domácnost, pračky nebo pece.Podle návrhu by tělo těchto zařízení neměla být živé.Ve skutečném použití však může být trup náhodně nabitý v důsledku vnitřních poruch, jako je stárnutí nebo poškození izolačních materiálů.Pokud zařízení není uzemněno, živé tělo při doteku zařízení přímo způsobí riziko elektrického šoku.Abychom tomu zabránili, připojení těla zařízení k zemi pomocí vyhrazeného zemního vodiče zajišťuje, že jakýkoli nesprávný proud je bezpečně nasměrován na zem spíše než přes lidské tělo dotýkající se zařízení.Složení uzemnění elektrického zařízení je znázorněno na obrázku níže.

Složení uzemnění elektrického zařízení

Na technické úrovni se uzemnění obvykle spoléhá na fyzické spojení s zemním drátem nebo zemnící tyčí.Jeden konec těchto zemních vodičů je připojen k kovové části zařízení a druhý konec je připojen k uzemňovacímu systému budovy nebo je pohřben přímo pod zemí.Tato metoda připojení účinně vytváří bezpečnou cestu, takže v případě vnitřní poruchy je jakýkoli uniklý proud účinně nasměrován na zem, čímž se zabrání riziku elektrického šoku.

V některých vysoce rizikových prostředích lze kromě základní bezpečnostní role použít také uzemnění ve spojení s jinými bezpečnostními zařízeními, jako jsou úniková proudová zařízení (RCD).Funkcí těchto zařízení je sledovat, zda je proud proudící do a ven ze zařízení vyvážený.Pokud je detekována nerovnováha (což naznačuje, že proud může protékat jinými abnormálními cestami, jako je lidské tělo), zařízení okamžitě přeruší sílu, aby se zabránilo elektrickému šoku.

U speciálních elektrických zařízení hraje uzemnění rozmanitější roli, například ve zdravotnickém vybavení nebo vysoce přesné laboratorní zařízení, kde se používá nejen pro ochranu personálu, ale také k zajištění přesného provozu zařízení a zabránění elektromagnetického rušení.V takových případech musí být navrhování a implementace uzemnění přesnější a složitější, aby splňovaly specifické bezpečnostní a funkční požadavky.

GND hraje velmi důležitou roli v designu elektronického obvodu.Jeho roli lze analyzovat do hloubky od následujících technických rozměrů:

Jedním z nich je poskytnout referenční potenciál.GND obvykle poskytuje běžný referenční potenciální bod v obvodu.Všechna napětí v obvodu se měří vzhledem k GND, což znamená, že bod GND je definován jako bod nulového napětí.Společný referenční potenciální bod zajišťuje správné úrovně napětí mezi komponenty obvodu a přesným přenosem signálu.

Druhým je tvorba současných cest smyčky.V jakémkoli obvodu musí mít proud úplnou cestu smyčky k provedení správného provozu.GND poskytuje cestu pro proud proudu z napájení do části zatížení obvodu (např. Tranzistor, rezistor atd.) A poté zpět k napájecímu napájení přes GND, což tvoří kompletní proudovou smyčku.

Třetí je stínění elektromagnetického rušení (EMI).Nejdůležitější rolí GND v designu obvodu je snížit vnější rušení, zejména EMI.Uzemněním citlivé části obvodu lze interferující signály účinně posunout na zem, čímž chrání obvod před EMI.

Čtvrtý je zlepšit výkon a stabilitu obvodu.Dobrý uzemňovací design může výrazně zlepšit celkový výkon a stabilitu obvodu.Použití hvězdné půdy nebo vícebodové uzemňovací strategie může minimalizovat potenciální rozdíly způsobené pozemními dráty, čímž se sníží hluk a zkreslení signální dráhy.Například ve vysokorychlostních digitálních obvodech mohou správné uzemňovací metody snížit odrazy signálu a přeslechnutí, čímž se zlepšuje integritu signálu.

Pátý je mechanismus ochrany zabezpečení.V případě podmínky poruchy, jako je zkrat nebo poškozené zařízení, GND poskytuje bezpečnou cestu pro vypouštění proudu.To pomáhá rychle zkrátit přebytečný proud a zabránit poškození elektrických požárů nebo zařízení.Uzemnění navíc pomáhá zajistit bezpečnost operátora a zabraňuje riziku elektrického šoku v důsledku selhání zařízení.

Prostřednictvím výše uvedené analýzy vidíme, že GND není jen základním prvkem v designu elektronického obvodu, ale také klíčem k udržování výkonu, stability a bezpečnosti.Během procesu navrhování mají různé typy obvodů odlišné požadavky na GND.Inženýři proto musí pečlivě zvážit uzemňovací strategii, aby zajistili optimalizaci a bezpečnost návrhu obvodu.Ať už v jednoduchém návrhu obvodu nebo komplexní integrace systému, přiměřená strategie uzemnění je základem pro dosažení efektivních, spolehlivých a bezpečných elektronických produktů.

4.1 Analog Ground Agnd

Analogový pozemek AGND se používá hlavně v analogových obvodech, zejména v aplikacích zahrnujících slabé analogové signály, jako jsou obvody pro získávání ADC a obvody operačních zesilovačů.V takových obvodech jsou kvůli citlivosti a slabosti analogových signálů velmi náchylné k interferenci s velkým proudem z jiných obvodů.Bez vyhrazeného AGND mohou tyto velké proudy produkovat významné pokles napětí v analogových obvodech, což způsobuje zkreslení signálu a dokonce i selhání obvodu v závažných případech.Přítomnost AGND je proto významná pro udržení integrity a přesnosti analogových signálů.

4.2 Digitální pozemní dgnd

Digital Ground DGND se liší od analogového pozemního AGND, zejména v aplikacích v digitálních obvodech, jako jsou detekční obvody klíčů, komunikační obvody USB a obvody mikrokontroléru.Hlavní charakteristikou digitálních obvodů je to, že signály, které zpracovávají, jsou diskrétní, což znamená, že signál mění mezi pouze dvěma stavy, obvykle identifikovaný jako digitální „0“ a digitální „1.“Jak je ukázáno níže.

Zpracování digitálního obvodu

Tyto stavy odpovídají různým úrovním napětí, obvykle „0“ představuje nízkou úroveň a „1“ představuje vysokou úroveň.Rychlé změny napětí dochází, když se digitální obvod přepne ze stavu „0“ na stav „1“ nebo naopak.Tyto změny zahrnují nejen samotné napětí, ale také doprovodné změny proudu.Podle Maxwellovy elektromagnetické teorie generují změny v tomto proudu měnící se magnetické pole kolem něj, což zase vytváří elektromagnetické rušení (EMI), což může způsobit rušení jiných složek v obvodu nebo sousedních obvodech.Aby se snížil dopad tohoto elektromagnetického rušení na celkový výkon obvodu, návrháři obvykle používají nezávislou digitální pozemní dgnd.Ve srovnání s analogovým zemí (AGND) je dgnd speciálně navržen pro digitální obvody, aby poskytoval stabilní referenční bod a účinně izoloval elektromagnetické rušení generované digitálními signály.To pomáhá snížit celkovou hladinu šumu obvodu, čímž se zlepšuje integritu signálu a spolehlivost obvodu.

V komplexních obvodových systémech, zejména systémech, které obsahují jak analogové, tak digitální části, je důležité rozlišovat mezi DGND a AGND.Protože analogové signály jsou citlivější na šum, oddělování DGND a AGND může zajistit, aby analogová část nebyla ovlivněna elektromagnetickým rušením způsobeným přepínáním digitálního signálu.Během procesu návrhu a rozvržení desky (PCB) (PCB) musí být umístění DGND pečlivě zváženo, aby se zabránilo formování smyček, což může způsobit aktuální rušení smyčky.Správně umístěné DGNND pomáhají optimalizovat integritu signálu a snižovat vyzařované a prováděné rušení.

4.3 Power Ground PGND

V našich životech budou obvody rozděleny do nízkoenergetických obvodů a vysoce výkonných obvodů.Analogové pozemní nebo digitální pozemní dgnd uvedené výše jsou obvody s nízkým výkonem.U těchto vysoce výkonných obvodů, jako jsou obvody motorového pohonu, obvody pohonného pohonu solenoidních ventilů atd.Ve vysoce výkonných obvodech mají velikost a změna proudu výraznější účinek na uzemňovací systém než v nízkoenergetických obvodech.Proto, ve srovnání s nízkoenergetickým analogovým zemí AGND nebo digitálním pozemním dgndem, lze říci, že napájecí pozemní pgnd je speciálně navržen tak, aby zvládl tyto vysoké proudy a zajistil stabilitu obvodu.

V těchto vysoce výkonných obvodech může významné zvýšení proudu snadno vést k pozemnímu posunu mezi různými funkčními obvody.K tomuto posunu dochází, když referenční bod země (GND) zažije pokles napětí v důsledku průchodu s vysokým proudem.Předpokládejme například, že je navržen obvod, který vyžaduje stabilizované napětí 5 V, ale kvůli posunu v zemi.V takovém případě se může referenční bod GND zvýšit z 0V na 1V, což způsobí, že skutečné napětí klesne na 4V (5V-1V = 4V), což ovlivňuje celkový výkon a spolehlivost obvodu.Při navrhování vysoce výkonných obvodů je proto třeba věnovat zvláštní pozornost rozvržení a implementaci PGND.Správný návrh PGND může minimalizovat účinky pozemního posunu a zajistit stabilitu napájení.Zkuste použít silnější dráty, vyhrazené uzemňovací vrstvy nebo navrhnout více uzemňovacích bodů, aby se rozložil proud, čímž se sníží pokles napětí v jednom bodě.

Kromě toho PGND také pomáhá snižovat elektromagnetické rušení (EMI) způsobené vysokými proudy.Poskytováním stabilního pozemního odkazu pomáhá PGND snižovat hluk a rušení v obvodech, zejména v aplikacích, kde je zvláštní úvaha elektromagnetická kompatibilita (EMC).

4.4 Power Ground GND

Analogový zem agnd, digitální pozemní dgnd a polní pozemek PGND patří do kategorie DC Ground GND.Tyto různé typy pozemků se nakonec spojí a vytvoří 0V referenční půdu pro celý obvod, kterým je GND power.Napětí a proud všech obvodů pocházejí z napájení.Proto se GND napájení stává základem a výchozím bodem všech obvodů.To vysvětluje, proč je třeba v konečném důsledku spojit různé typy důvodů na power Ground GND, aby se zajistila celková konzistence a stabilita obvodu.

4.5 Výměnné místo CGND

AC Ground CGND se obvykle objevuje v obvodových projektech obsahujících zdroje energie střídavého proudu, jako je AC-DC na obrázku níže.V těchto obvodech, protože přední část obvodu je AC část a zadní část je převedena na DC, jsou nevyhnutelně vytvořeny dva různé pozemní body: jeden pro AC část a druhá pro DC část.Aby byla zajištěna konzistence obvodu, inženýři obvykle spojují dva pozemní body přes spojovací kondenzátor nebo induktor, aby sjednotili půdu střídavého proudu a DC.

DC a AC

4.6 Pozemní egnd

Bezpečnostní napětí lidského těla je obecně považováno za napětí nižší než 36 V.Když napětí překročí tento práh, může způsobit újmu, pokud je aplikováno na lidské tělo.Proto při navrhování vysokopěťových a vysoce proudových obvodů inženýři často implementují EGND, aby zvýšili bezpečnost.To je běžné v obvodech domácích spotřebičů, jako jsou fanoušci, chladničky a televizory.Na obrázku níže je znázorněna zásuvka s ochranou proti pozemním egd.

Zásuvka s pozemní ochranou

220V AC vyžaduje pouze živé a neutrální dráty.Proč mají zásuvky pro domácnost 3 terminály?

Normálně vyžaduje napájecí zdroj 220V pouze dva vodiče: horký drát (horký drát) a neutrální drát (neutrální drát).Zásuvky pro domácí spotřebiče obvykle zahrnují třetí terminál, zemní mletý drát.Přidání tohoto třetího terminálu, i když se nezúčastní hlavní funkce obvodu, poskytuje kritickou ochranu bezpečnosti.Když dojde k poruše uvnitř elektrického zařízení, jako je poškození izolace způsobující elektrifikaci těla, poskytuje bezpečné únikové dráhy pro proud.Tímto způsobem je jakýkoli nesprávně nasměrovaný proud nasměrován spíše na zem než přes lidské tělo, které se dotýká zařízení, což výrazně snižuje riziko elektrického šoku.Proto existuje jasný rozdíl ve významu obvodu mezi EGND a jinými typy zemních vodičů GND.EGND není přímo zapojena do hlavní funkce obvodu.Speciálně navržený pro zvýšení bezpečnosti se připojuje k Zemi, aby poskytoval stabilní referenční bod a elektřinu vedl během abnormálních podmínek, aby chránil zařízení a uživatele před vysokým napětím.

Aplikace EGND v návrhu obvodů není omezena pouze na domácnost.EGND je nezbytným bezpečnostním opatřením v jakémkoli návrhu obvodu zahrnujícího vysoké napětí nebo proud.Pomáhá zajistit, aby byla udržována provozní bezpečnost i v případě selhání zařízení nebo jiných neobvyklých okolností.

V designu elektronického obvodu se zdá, že koncept Grous Grous Wire GND je jednoduchý, ale obsahuje řadu různých funkcí a klasifikací, což je zdánlivě jednoduchý problém obvodu docela komplikovaný.Proč je tedy tolik subdivizí GND uzemňovacích funkcí?Obecně lze říci, že když inženýři navrhují obvody, často jmenují všechny GND mleté ​​dráty jednoduše jako GND a nerozlišují je ve schématickém designu.Ačkoli je tento přístup jednoduchý v provozu, způsobí řadu problémů, zejména ve fázi kabeláže PCB, kde je obtížné efektivně identifikovat a zpracovat zemní dráty GND různých funkcí obvodu.

Pokud jde o otázku přeslechu signálu, když jsou přímo spojeny GNDS různých funkcí, zejména když je GND vysoce výkonného obvodu smíchána s GND nízkoenergetického obvodu, může to mít dopad na 0V referenční bodObvod s nízkým výkonem.Taková metoda zapojení může snadno způsobit přesun signálu mezi různými obvody, což ovlivňuje výkon obvodu.Například v systému obsahujícím vysokorychlostní digitální obvody a přesné analogové obvody, pokud je stejný GND sdílený, může vysokofrekvenční přepínací operace v digitálních obvodech způsobit významné kolísání napětí na sdílené dráze GND.Tyto fluktuace se šíří cestou GND a ovlivňují výkon analogových obvodů.Proto je ideální používat samostatná rovina nebo stopy GND ke snížení tohoto vzájemného rušení.

Při navrhování složitějších obvodových systémů se správa GND stává složitější.Například v projektu obvodového systému, který zahrnuje jak analogové, tak digitální subsystémy, když je Agnd analogového obvodu připojen k CGND zdroje napájení střídavého proudu, může být stabilita AGND ovlivněna periodickými změnami v CGND.Napětí na CGND napájení střídavého proudu pravidelně kolísá, zatímco DC Ground GND obecně zůstává konstantní při 0 V.Tato fluktuace se může šířit k analogovému obvodu, což způsobuje odchylky v referenčním napětí.Aby se tomu zabránilo, běžným přístupem je používat izolační techniky nebo použít samostatnou rovinu AGND k zajištění přesnosti a přesnosti signálu.

Elektromagnetická kompatibilita (EMC) je důležitým hlediskem při návrhu obvodu a rozložení GND má také významný dopad na EMC.Když jsou připojeny GNDS různých obvodů, může obvod se silnějším signálem přímo interferovat do obvodu se slabším signálem.Toto rušení může způsobit, že se obvod se slabším signálem stane zdrojem elektromagnetického záření z silnějšího vnějšího zdroje, což ztěžuje manipulaci s obvodem EMC.Pokud máte obavy z tohoto typu problému, zvažte techniky, jako je filtrování, stínění a vyhrazené zarovnání GND během návrhu, abyste minimalizovali výskyt takových interferenčních situací.

EMC filtr

Nakonec, čím méně signálních spojení mezi obvodovými systémy, tím větší je jejich schopnost pracovat samostatně.Naopak, čím více signálních připojení existuje, tím slabší je schopnost každého obvodového systému pracovat samostatně.Pokud jsou připojeny zemní dráty obvodů s různými funkcemi, je ekvivalentní přidání potenciálního interferenčního spojení mezi obvody, což může snížit celkovou spolehlivost obvodu.Například, pokud neexistuje průnik mezi dvěma obvodovými systémy A a B, funkčnost systému A neovlivní normální provoz systému B a naopak.Pokud jsou však pozemní dráty těchto systémů smíšené, může být zavedeno zbytečné rušení, což ovlivňuje stabilitu a spolehlivost obvodu.

Celkově se role GND v designu elektronického obvodu přesahuje jednoduchým bodem uzemnění.Od zajištění základní elektrické bezpečnosti až po zajištění přesného a stabilního provozu obvodů nelze důležitost GND ignorovat.Jedná se o více klasifikací a komplexní pracovní principy vyžadují, aby inženýři při navrhování a implementaci obvodů přijali sofistikované a promyšlené strategie.Ať už v běžných elektrických zařízeních v každodenním životě nebo špičkových technologických produktech, přiměřená uzemňovací strategie je základem pro dosažení efektivních, spolehlivých a bezpečných elektronických produktů.Proto je pro jakýkoli projekt zahrnující elektronické obvody důkladné porozumění charakteristikám a aplikacím GND klíčem k úspěšnému designu.