Mikä on GND piirissä?

Tutkiessasi elektronisia piirejä, ymmärrä GND: n (maa) käsite ja sen moniroolit piirisuunnittelussa.GND, peruselementtinä elektronisissa piireissä, ei vain tarjoa piirin vertailupotentiaalipistettä, vaan sillä on myös tärkeä rooli piirin suorituskyvyssä, stabiilisuudessa ja turvallisuudessa.Kotitalouksien perussuojauksesta edistyneisiin sovelluksiin monimutkaisissa elektronisissa laitteissa GND: n rooli ja toteutus esitetään monilla näkökohdilla ja niiden monimutkaisuudella.Tämän artikkelin tavoitteena on tarjota syvällinen keskustelu erityyppisistä GND: stä, niiden toiminnasta ja niiden merkityksestä piirisuunnittelussa kattavan näkökulman tämän kriittisen piirikomponentin ymmärtämiseen.

Mikä on GND (maa)?

GND on lyhenne maalle.GND tarkoittaa maata tai 0 lankaa.

Maa voi myös viitata maahan, joka ei ole todellinen maa, vaan oletettu maa levitystarkoituksiin.Yhdistää sähkölaitteet maahan estääksesi käyttäjän altistumista korkeille jännitteille.

Erilaisia ​​"perusteita" piirissä

Maadoitus on sähköjärjestelmien ydinturvallisuusominaisuus.Sen päätarkoitus on varmistaa sähkölaitteiden turvallinen käyttö, etenkin metallirunkojen, kuten kotitalouksien jääkaapit, pesukoneet tai uunit.Suunnittelun mukaan näiden laitteiden rungon ei pitäisi olla elävä.Todellisessa käytössä runko voidaan kuitenkin vahingossa ladata sisäisten vikojen, kuten ikääntymisen tai eristysmateriaalien vaurioiden vuoksi.Jos laitteet eivät ole maadoitettuja, elävä runko aiheuttaa suoraan sähköiskun riskin laitteita koskettaessa.Tämän estämiseksi laitteen ruumiin yhdistäminen maahan omistetun maajohtimen kautta varmistaa, että mikä tahansa väärin suunnattu virta on turvallisesti suunnattu maahan sijasta laitteita koskevan ihmiskehon kautta.Sähkölaitteiden maadoituksen koostumus on esitetty alla olevassa kuvassa.

Sähkölaitteiden maadoituksen koostumus

Teknisellä tasolla maadoitus riippuu tyypillisesti fyysisestä liitoksesta maadoitusjohtoon tai maadaan.Näiden maajohtojen toinen pää on kytketty laitteiden metalliosaan, ja toinen pää on kytketty rakennuksen maadoitusjärjestelmään tai haudataan suoraan maan alle.Tämä yhteysmenetelmä luo tehokkaasti turvallisen polun siten, että sisäisen vian sattuessa kaikki vuotaneet virrat suunnataan käytännössä maahan, mikä välttää sähköiskimon riskin.

Joissakin korkean riskin ympäristöissä sen perusturvallisuusroolin lisäksi maadoitusta voidaan käyttää myös yhdessä muiden turvalaitteiden, kuten vuotovirtalaitteiden (RCD), kanssa.Näiden laitteiden tehtävänä on seurata, onko laitteeseen virtaava virta tasapainoinen.Jos havaitaan epätasapaino (osoittaa, että virta voi virtaa muiden epänormaalien polkujen, kuten ihmiskehon, läpi), laite katkaisee välittömästi virran sähköiskun estämiseksi.

Erityisissä sähkölaitteissa maadoituksella on monipuolisempi rooli, kuten lääketieteellisissä laitteissa tai tarkkaan laboratoriolaitteissa, joissa sitä käytetään paitsi henkilöstön suojaamiseksi myös laitteiden tarkan toiminnan varmistamiseksi ja sähkömagneettisten häiriöiden estämiseksi.Tällaisissa tapauksissa maadoituksen suunnittelun ja toteuttamisen on oltava tarkempia ja monimutkaisempia tiettyjen turvallisuuden ja toiminnallisten vaatimusten täyttämiseksi.

GND: llä on erittäin tärkeä rooli elektronisessa piirisuunnittelussa.Sen roolia voidaan analysoida perusteellisesti seuraavista teknisistä ulottuvuuksista:

Yksi on tarjota referenssipotentiaali.GND tarjoaa yleensä yleisen vertailupotentiaalin pisteen piirissä.Kaikki piirin jännitteet mitataan suhteessa GND: hen, mikä tarkoittaa, että GND -piste on määritelty nollajännitepisteeksi.Yleinen referenssipotentiaalipiste varmistaa piirikomponenttien ja tarkan signaalin lähetyksen oikean jännitteen tasot.

Toinen on nykyisten silmukkapolkujen muodostuminen.Missä tahansa piirissä virralla on oltava täydellinen silmukkapolku oikean toiminnan suorittamiseksi.GND tarjoaa virran polun virtaavan virtalähteestä piirin kuormitusosaan (esim. Transistori, vastus jne.) Ja sitten takaisin virtalähteeseen GND: n kautta muodostaen täydellisen virran silmukkapolun.

Kolmas on sähkömagneettinen häiriö (EMI).GND: n tärkein rooli piirisuunnittelussa on vähentää ulkoisia häiriöitä, etenkin EMI.Maatamalla piirin herkkä osa, häiritsevät signaalit voidaan tehokkaasti siirtyä maahan suojaamalla siten piiri EMI: ltä.

Neljäs on parantaa piirin suorituskykyä ja vakautta.Hyvä maadoitussuunnittelu voi parantaa merkittävästi piirin yleistä suorituskykyä ja vakautta.Tähtien maadoitus- tai monipiste-maadoitusstrategian käyttäminen voi minimoida maagän johtimien aiheuttamat mahdolliset erot, mikä vähentää signaalipolun melua ja vääristymiä.Esimerkiksi nopeat digitaaliset piirit oikeat maadoitusmenetelmät voivat vähentää signaalin heijastuksia ja ristikkäitä, parantaen siten signaalin eheyttä.

Viides on turvallisuussuojausmekanismi.Jos vikaedellytys, kuten oikosulku tai vaurioituneet laitteet, GND tarjoaa turvallisen polun virran purkamiseen.Tämä auttaa nopeasti puristamaan ylimääräistä virtaa, estäen sähköpalot tai laitevauriot.Lisäksi maadoitus auttaa varmistamaan käyttäjän turvallisuuden ja estää sähköiskisokkien riskin laitteiden vikaantumisen vuoksi.

Yllä olevan analyysin avulla voimme nähdä, että GND ei ole vain peruselementti elektronisessa piirisuunnittelussa, vaan myös avain piirin suorituskyvyn, stabiilisuuden ja turvallisuuden ylläpitämiseen.Suunnitteluprosessin aikana erityyppisillä piireillä on erilaiset vaatimukset GND: lle.Siksi insinöörien on harkittava huolellisesti maadoitusstrategiaa piirin suunnittelun optimoinnin ja turvallisuuden varmistamiseksi.Olipa yksinkertainen piirisuunnittelu tai monimutkainen järjestelmän integrointi, kohtuullinen maadoitusstrategia on perusta tehokkaan, luotettavan ja turvallisen elektronisen tuotteen saavuttamiselle.

4.1 Analoginen maadoitus

Analoginen maa -alue AGND: tä käytetään pääasiassa analogisissa piireissä, etenkin sovelluksissa, joihin liittyy heikkoja analogisia signaaleja, kuten ADC -hankintapiirit ja operatiiviset vahvistinpiirit.Tällaisissa piireissä analogisten signaalien herkkyyden ja heikkouden vuoksi ne ovat erittäin alttiita muiden piirien suurille virran häiriöille.Ilman erillistä AGND: tä, nämä suuret virrat voivat tuottaa merkittäviä jännitekaspoja analogisissa piireissä aiheuttaen signaalin vääristymiä ja jopa piirin vian vaikeissa tapauksissa.Siksi AGND: n läsnäolo on merkittävä analogisten signaalien eheyden ja tarkkuuden ylläpitämiseksi.

4.2 Digitaalinen maadoitus

Digitaalinen maadoitus DGND on erilainen kuin analoginen maa -alue AGND, etenkin digitaalisten piirien sovelluksissa, kuten avaintunnistuspiirit, USB -viestintäpiirit ja mikrokontrolleripiirit.Digitaalisten piirien ydinominaisuus on, että niiden prosessien signaalit ovat erillisiä, mikä tarkoittaa, että signaali muuttuu vain kahden tilan välillä, jotka yleensä tunnistetaan digitaaliseksi "0" ja digitaaliseksi "1."Kuten alla on esitetty.

Digitaalinen piirinkäsittely

Nämä tilat vastaavat erilaisia ​​jännitetasoja, yleensä "0" edustaa matalaa tasoa ja "1" edustaa korkeaa tasoa.Jännitteen nopeat muutokset tapahtuvat, kun digitaalinen piiri kytkeytyy "0" tilasta "1" -tilaan tai päinvastoin.Nämä muutokset eivät sisällä itse jännitettä, vaan myös mukana olevia muutoksia virrassa.Maxwellin sähkömagneettisen teorian mukaan muutokset tässä virrassa tuottavat sen ympärille muuttuvan magneettikentän, mikä puolestaan ​​aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI), mikä voi aiheuttaa häiriöitä muihin piirin komponenteihin tai viereisiin piireihin.Tämän sähkömagneettisten häiriöiden vaikutuksen vähentämiseksi piirin yleiseen suorituskykyyn suunnittelijat käyttävät yleensä riippumatonta digitaalista maa -aluetta.Verrattuna analogiseen maahan (AGND), DGND on suunniteltu erityisesti digitaalisille piireille stabiilin vertailupisteen aikaansaamiseksi ja digitaalisten signaalien aiheuttamien sähkömagneettisten häiriöiden tehokkaasti.Tämä auttaa vähentämään piirin yleistä melutasoa parantaen siten signaalin eheyttä ja piirien luotettavuutta.

Monimutkaisissa piirijärjestelmissä, etenkin sellaisissa, jotka sisältävät sekä analogisia että digitaalisia osia, on tärkeää erottaa DGND ja AGND.Koska analogiset signaalit ovat herkempiä kohinalle, DGND: n ja AGND: n erottaminen voi varmistaa, että digitaalisen signaalin kytkemisen aiheuttamat sähkömagneettiset häiriöt eivät vaikuta analogiseen osaan.Piirilevyn (PCB) suunnittelu- ja asetteluprosessin aikana DGND: ien sijoittamista on harkittava huolellisesti silmukoiden muodostamiseksi, mikä voi aiheuttaa nykyisen silmukan häiriöitä.Oikein sijoitetut DGND: t auttavat optimoimaan signaalin eheyttä ja vähentämään säteilyä ja suoritettua häiriötä.

4.3 Power Ground PGND

Elämässämme piirit jaetaan pienitehoisiin piireihin ja suuritehoisiin piireihin.Edellä mainittu analoginen maa-alue tai digitaalinen maadoitusosasto on pienitehoisia piirejä.Näille suuritehoisille piireille, kuten moottorin käyttöpiirille, solenoidiventtiilien käyttöpiirille jne.Suurissa piireissä virran suuruudella ja variaatiolla on selvempi vaikutus maadoitusjärjestelmään kuin pienitehoisissa piireissä.Siksi verrattuna pienitehoiseen analogiseen maa-alueeseen tai digitaaliseen maa-alueen DGND: hen, tehon PGND: n voidaan sanoa olevan erityisesti suunniteltu käsittelemään näitä korkeita virtauksia ja varmistamaan piirin stabiilisuus.

Näissä suuritehoisissa piireissä virran merkittävä kasvu voi helposti johtaa maaperän siirtymiseen eri funktionaalisten piirien välillä.Tämä muutos tapahtuu, kun maaperän vertailupiste (GND) kokee jännitteen pudotuksen korkean virran kulun vuoksi.Oletetaan esimerkiksi, että piiri on suunniteltu, joka vaatii stabiloidun jännitteen 5 V, mutta maan siirtymisen vuoksi.Tällöin GND-vertailupiste voi nousta 0 V: stä 1 V: ään, mikä aiheuttaa todellisen jännitteen laskun 4 V: ään (5V-1V = 4V), mikä vaikuttaa piirin yleiseen suorituskykyyn ja luotettavuuteen.Siksi, kun suunnittelet suuritehoisia piirejä, PGND: n asetteluun ja toteuttamiseen on kiinnitettävä erityistä huomiota.Oikea PGND -suunnittelu voi minimoida maaperän siirtymisen vaikutukset ja varmistaa virtalähteen stabiilisuus.Kokeile käyttää paksumpia johtoja, erillisiä maadoituskerroksia tai suunnitella useita maadoituspisteitä virran levittämiseksi, mikä vähentää jännitteen pudotusta yhdessä pisteessä.

Lisäksi PGND auttaa vähentämään korkeiden virtausten aiheuttamia sähkömagneettisia häiriöitä (EMI).Tarjoamalla vakaan maadoituksen, PGND auttaa vähentämään melua ja häiriöitä piireissä, etenkin sovelluksissa, joissa sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) on erityinen huomio.

4.4 Power Ground GND

Analoginen maadoitus, digitaalinen maadoitus DGND ja Power Ground PGND kuuluvat kaikki DC Ground GND -luokkaan.Nämä erityyppiset perusteet tulevat lopulta yhteen muodostaen 0 V: n referenssialueen koko piirille, joka on Power Ground GND.Kaikkien piirien jännite ja virta on peräisin virtalähteestä.Siksi virtalähteen GND: stä tulee kaikkien piirien perusta ja lähtökohta.Tämä selittää, miksi erityyppiset perusteet on viime kädessä kootettava voiman GND: lle, jotta voidaan varmistaa piirin yleinen johdonmukaisuus ja vakaus.

4.5 Exchange Place CGND

AC Ground CGND esiintyy yleensä piiriprojekteissa, jotka sisältävät vaihtovirtalähteitä, kuten AC-DC alla olevassa kuvassa.Näissä piireissä, koska piirin etuosa on AC -osa ja takaosa muunnetaan tasavirtaan, muodostuu väistämättä kaksi erilaista maapallon: yksi AC -osaan ja toinen tasavirtaosaan.Piirin konsistenssin varmistamiseksi insinöörit yleensä yhdistävät kaksi maapalloa kytkentäkondensaattorin tai induktorin läpi yhdistämään vaihtovirta -alueen ja tasavirta -pohjan.

DC ja AC

4.6 Maataso EGND

Ihmisen kehon turvajännitettä pidetään yleensä alle 36 V: n jännitteenä.Kun jännite ylittää tämän kynnyksen, se voi aiheuttaa haittaa, jos sitä levitetään ihmiskehoon.Siksi suunnitellessaan korkeajännite- ja korkeavirtapiiriä insinöörit toteuttavat usein EGND: n turvallisuuden parantamiseksi.Tämä on yleistä kodinkoneiden, kuten fanien, jääkaappien ja televisioiden, piireissä.Pistorasia, jolla on maa -EGND -suojaus, on esitetty alla olevassa kuvassa.

Pistorasia, jolla on maadoitussuojaus

220 V AC vaatii vain eläviä ja neutraaleja johtoja.Miksi kodinlaitteiden pistorasioissa on 3 terminaalia?

Normaalisti 220 V: n vaihtovirtalähde vaatii vain kaksi johtoa: kuuma lanka (kuuma lanka) ja neutraali johdin (neutraali lanka).Kokintalaitteiden pistorasiat sisältävät yleensä kolmannen terminaalin, maantuotantojohdon egnd.Tämän kolmannen terminaalin lisääminen, vaikka se ei osallistu piirin päätoimintoon, tarjoaa kriittisen turvallisuussuojan.Kun vika tapahtuu sähkölaitteen sisällä, kuten eristysvauriot, jotka aiheuttavat kehon sähköistymisen, se tarjoaa turvallisen poistumispolun virralle.Tällä tavoin kaikki väärin suuntautuneet virrat suunnataan maahan eikä ihmiskehon kautta koskettavan laitetta, vähentäen huomattavasti sähköiskun riskiä.Siksi piirin merkityksessä on selkeä ero EGND: n ja muun tyyppisten maajohtojen GND: n välillä.EGND ei ole suoraan mukana piirin päätoiminnassa.Erityisesti suunniteltu turvallisuuden parantamiseksi, se yhdistyy maahan vakaan maadoituspisteen aikaansaamiseksi ja johtaa sähköä epänormaalien olosuhteiden aikana laitteiden ja käyttäjien suojaamiseksi korkeilta jännitteiltä.

EGND: n soveltaminen piirisuunnitteluun ei rajoitu kodinkoneisiin.EGND on välttämätön turvatoimenpide missä tahansa piirisuunnittelussa, johon liittyy korkea jännite tai virta.Se auttaa varmistamaan, että operatiivinen turvallisuus ylläpidetään jopa laitteiden vikaantumisessa tai muissa epätavallisissa olosuhteissa.

Elektronisessa piirisuunnittelussa maadoitusjohdin GND -käsite näyttää yksinkertaiselta, mutta se sisältää erilaisia ​​erilaisia ​​toimintoja ja luokituksia, mikä tekee näennäisesti yksinkertaisesta piirin ongelmasta melko monimutkaisen.Joten miksi GND: n maadoitustoiminnoista on niin paljon alajakoa?Yleisesti ottaen, kun insinöörit suunnittelevat piirejä, he nimeävät usein kaikki GND -maa -johdot yksinkertaisesti GND: ksi eivätkä erota niitä kaavamaisessa suunnittelussa.Vaikka tämä lähestymistapa on toiminnassa yksinkertainen, se aiheuttaa sarjan ongelmia, etenkin piirilevyn johdotusvaiheessa, missä on vaikea tunnistaa ja käsitellä tehokkaasti eri piiriverkkujen GND -maagän johtimia.

Signaalin ylikuormituskysymyksen suhteen, kun eri toimintojen GND: t ovat suoraan kytkettynä, varsinkin kun suuritehoisen piirin GND sekoitetaan pienitehoisen piirin GND: n kanssa, sillä voi olla vaikutusta 0 V: n vertailupisteeseenpienitehoinen piiri.Tällainen johdotusmenetelmä voi helposti aiheuttaa signaalin ylikuormituksen eri piirien välillä, mikä vaikuttaa piirin suorituskykyyn.Esimerkiksi järjestelmässä, joka sisältää nopeaa digitaalista piirejä ja tarkkuusanalogisia piirejä, jos sama GND on jaettu, digitaalisten piirien korkeataajuiset kytkentätoiminnot voivat aiheuttaa merkittäviä jännitevaihteluita jaetulla GND-polulla.Nämä vaihtelut etenevät GND -polun läpi, mikä vaikuttaa analogisten piireiden suorituskykyyn.Siksi on ihanteellista käyttää erillisiä GND -tasoja tai jälkiä tämän keskinäisten häiriöiden vähentämiseksi.

Suunniteltaessa monimutkaisempia piirijärjestelmiä GND: n hallinta muuttuu monimutkaisemmaksi.Esimerkiksi piirijärjestelmäprojektissa, joka sisältää sekä analogiset että digitaaliset osajärjestelmät, kun analogisen piirin AGND on kytketty vaihtovirtalähteen CGND: hen, CGND: n jaksolliset muutokset voivat vaikuttaa AGND: n stabiilisuuteen.Viavirtalähteen CGND: n jännite vaihtelee määräajoin, kun taas DC -maadoitus GND pysyy yleensä vakiona 0 V: llä.Tämä vaihtelu voi levittää analogiseen piiriin aiheuttaen poikkeamia referenssijännitteessä.Tämän välttämiseksi yleinen lähestymistapa on käyttää eristystekniikoita tai käyttää erillistä AGND -tasoa signaalin tarkkuuden ja tarkkuuden varmistamiseksi.

Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) on tärkeä näkökohta piirisuunnittelussa, ja myös GND: n asettelu on merkittävä vaikutus EMC: hen.Kun eri piirien GND: t on kytketty, piiri vahvemmalla signaalilla voi suoraan häiritä piiriä heikomman signaalin kanssa.Tämä häiriö voi aiheuttaa piirin heikommalla signaalilla voimakkaamman ulkoisen lähteen sähkömagneettisen säteilyn lähde, mikä vaikeuttaa piirin EMC: n käsittelyä.Jos olet huolissasi tämän tyyppisestä ongelmasta, harkitse tekniikoita, kuten suodattamista, suojausta ja omistautuneita GND -kohdistuksia suunnittelun aikana tällaisten häiriötilanteiden esiintymisen minimoimiseksi.

EMC -suodatin

Lopuksi, mitä vähemmän piirijärjestelmien välisiä signaaliyhteyksiä, sitä suurempi niiden kyky toimia itsenäisesti.Päinvastoin, mitä enemmän signaaliyhteyksiä siellä on, sitä heikompi kunkin piirijärjestelmän kyky toimia itsenäisesti.Jos eri funktioiden piirien maadoitukset on kytketty, se vastaa potentiaalisen häiriöyhteyden lisäämistä piirejen väliin, mikä voi vähentää piirin yleistä luotettavuutta.Esimerkiksi, jos kahden piirijärjestelmän A ja B välillä ei ole leikkausta, järjestelmän A toiminnallisuus ei vaikuta järjestelmän B normaaliin toimintaan ja päinvastoin.Mutta jos näiden järjestelmien maa -johdot ovat sekoitettuja, voidaan ottaa käyttöön tarpeetonta häiriötä, mikä vaikuttaa piirin stabiilisuuteen ja luotettavuuteen.

Kaiken kaikkiaan GND: n rooli elektronisessa piirisuunnittelussa ylittää paljon yksinkertaisen maadoituspisteen.GND: n merkitystä ei voida sivuuttaa sähköturvallisuuden varmistamisesta piireiden tarkan ja vakaan toiminnan varmistamiseen.Se on useita luokituksia ja monimutkaisia ​​työperiaatteita edellyttävät insinöörejä omaksumaan hienostuneita ja harkittuja strategioita piirien suunnittelussa ja toteuttamisessa.Olipa tavallisissa sähkölaitteissa jokapäiväisessä elämässä tai huippuluokan teknologiatuotteissa, kohtuullinen maadoitusstrategia on perusta tehokkaiden, luotettavien ja turvallisten elektronisten tuotteiden saavuttamiselle.Siksi kaikissa sähköisissä piireissä olevissa projekteissa GND: n ominaisuuksien ja sovellusten perusteellinen käsitys on avain onnistuneeseen suunnitteluun.