Что такое GND в цепи?

Изучая электронные схемы, понимайте концепцию GND (земля) и ее множественные роли в конструкции схемы.GND, как базовый элемент в электронных цепях, не только обеспечивает точку эталона схемы, но и играет важную роль в производительности, стабильности и безопасности цепи.От базовой безопасности бытовой техники до передовых применений в сложном электронном оборудовании роль и реализация GND представлены во многих аспектах и их сложности.Эта статья направлена на то, чтобы предоставить углубленное обсуждение различных типов GND, того, как они работают, и их важность в дизайне схемы, чтобы обеспечить исчерпывающий взгляд на понимание этого критического компонента цепи.

Что такое GND (земля)?

GND является аббревиатурой для земли.GND означает заземление или 0 провода.

Земля также может относиться к Земле, которая не является истинной основой, а предполагаемой почвой для целей применения.Подключает электрическое оборудование на землю, чтобы пользователь не подвергался воздействию высоких напряжений.

Различные «основания» в цепи

Заземление является основной функцией безопасности электрических систем.Его основная цель - обеспечить безопасную работу электрического оборудования, особенно те, которые с металлическими телами, такими как домашние холодильники, стиральные машины или печи.По дизайну тело этих устройств не должно быть живым.Однако в фактическом использовании фюзеляж может быть случайно заряжен из -за внутренних разломов, таких как старение или повреждение изоляционных материалов.Если оборудование не заземлено, живое тело непосредственно вызовет риск удара при прикосновении к оборудованию.Чтобы предотвратить это, соединение корпуса оборудования к земле через выделенный наземный проводник гарантирует, что любой неправильный ток безопасно направляется на землю, а не через тело человека, касающееся оборудования.Состав заземления электрического оборудования показан на рисунке ниже.

Композиция заземления электрического оборудования

На техническом уровне заземление обычно опирается на физическое соединение с заземленным или заземляющим стержнем.Один конец этих наземных проводов подключен к металлической части оборудования, а другой конец подключен к системе заземления здания или похоронен непосредственно под землей.Этот метод подключения эффективно создает безопасный путь, чтобы в случае внутренней разлома любой просочившийся ток эффективно направляется на землю, что избегает риска удара электрическим током.

В некоторых средах высокого риска, в дополнение к своей основной роли безопасности, заземление также может использоваться в сочетании с другими устройствами безопасности, такими как устройства тока утечки (RCD).Функция этих устройств состоит в том, чтобы отслеживать, сбалансирован ли ток в и из него.Если обнаружен дисбаланс (указывая на то, что ток может протекать через другие аномальные пути, такие как тело человека), устройство немедленно отключит мощность, чтобы предотвратить удар электрическим.

В специальном электрическом оборудовании заземление играет более разнообразную роль, такую как в медицинском оборудовании или высококвалифицированном лабораторном оборудовании, где он используется не только для защиты персонала, но и для обеспечения точной работы оборудования и предотвращения электромагнитных помехПолемВ таких случаях проектирование и реализация заземления должны быть более точными и сложными, чтобы удовлетворить конкретные безопасности и функциональные требования.

GND играет очень важную роль в конструкции электронной схемы.Его роль может быть подробно проанализирована по следующим техническим измерениям:

Одним из них является предоставление справочного потенциала.GND обычно обеспечивает общую точку потенциала эталона в цепи.Все напряжения в схеме измеряются относительно GND, что означает, что точка GND определяется как точка нулевого напряжения.Общая точка потенциала эталона обеспечивает правильные уровни напряжения между компонентами цепи и точной передачей сигнала.

Вторым является формирование пути текущих петли.В любой схеме ток должен иметь полный путь петли для выполнения надлежащей работы.GND обеспечивает путь для тока, чтобы переходить от источника питания к части нагрузки цепи (например, транзистор, резистор и т. Д.), А затем обратно в источник питания через GND, образуя полный путь петли тока.

Третий - это экранирование электромагнитных помех (EMI).Наиболее важной ролью GND в конструкции схемы является уменьшение внешних помех, особенно EMI.Заземляя чувствительную часть схемы, мешающие сигналы могут быть эффективно обстреляны к земле, защищая тем самым цепь от EMI.

Четвертый - улучшить производительность и стабильность схемы.Хорошая конструкция заземления может значительно улучшить общую производительность и стабильность схемы.Использование стратегии заземления Star Langle или многоточечного заземления может минимизировать различия в потенциале, вызванные наземными проводами, тем самым снижая шум и искажения в пути сигнала.Например, в высокоскоростных цифровых цепях правильные методы заземления могут уменьшить отражения сигнала и перекрестные помехи, тем самым повышая целостность сигнала.

Пятая - механизм защиты безопасности.В случае состояния неисправности, такого как короткое замыкание или поврежденное оборудование, GND обеспечивает безопасный путь для разрядки тока.Это помогает быстро шунтировать избыточный ток, предотвращая электрические пожары или повреждение оборудования.Кроме того, заземление помогает обеспечить безопасность оператора и предотвращает риск удара из -за отказа оборудования.

Благодаря вышеуказанному анализу мы видим, что GND является не только основным элементом в области электронных цепи, но и ключом к поддержанию производительности, стабильности и безопасности цепи.В процессе проектирования различные типы схем представляют различные требования к GND.Поэтому инженеры должны тщательно рассмотреть стратегию заземления, чтобы обеспечить оптимизацию и безопасность конструкции схемы.Будь то простая конструкция схемы или сложную системную интеграцию, разумная стратегия заземления является основой для достижения эффективных, надежных и безопасных электронных продуктов.

4.1 Analog Ground Agnd

Аналоговая земля Agnd в основном используется в аналоговых схемах, особенно в приложениях, включающих слабые аналоговые сигналы, такие как схемы приобретения ADC и схемы эксплуатационных усилителей.В таких целях, из -за чувствительности и слабости аналоговых сигналов, они чрезвычайно подвержены большим помехам тока из других цепей.Без выделенного AGND эти большие токи могут привести к значительным падениям напряжения в аналоговых схемах, вызывая искажение сигнала и даже разрушение цепи в тяжелых случаях.Следовательно, наличие AGND важно для поддержания целостности и точности аналоговых сигналов.

4.2 Цифровая земля DGND

Цифровой заземление DGND отличается от аналогового заземления AGND, особенно в приложениях в цифровых цепях, таких как схемы обнаружения ключей, схемы связи USB и микроконтроллеры.Основной характеристикой цифровых цепей является то, что сигналы, которые они обрабатывают, являются дискретными, что означает, что сигнал изменяется только между двумя состояниями, обычно идентифицируемыми как цифровой «0» и цифровой «1.»Как показано ниже.

Цифровая обработка схемы

Эти состояния соответствуют различным уровням напряжения, обычно «0» представляет низкий уровень, а «1» представляет высокий уровень.Быстрые изменения напряжения происходят, когда цифровая схема переключается с состояния «0» на состояние «1» или наоборот.Эти изменения включают не только само напряжение, но и сопровождающие изменения в токе.Согласно электромагнитной теории Максвелла, изменения в этом токе генерируют изменяющееся магнитное поле вокруг него, что, в свою очередь, создает электромагнитные интерференции (EMI), что может вызвать интерференцию на другие компоненты в цепь или соседние цепи.Чтобы уменьшить влияние этого электромагнитного помех на общую производительность схемы, дизайнеры обычно используют независимый DGND цифровой заземления.По сравнению с аналоговым наземным (AGND) DGND специально разработан для цифровых цепей, чтобы обеспечить стабильную точку отсчета и эффективно выделять электромагнитные помехи, генерируемые цифровыми сигналами.Это помогает снизить общий уровень шума схемы, тем самым повышая целостность сигнала и надежность схемы.

В сложных схемах, особенно тех, которые содержат как аналоговые, так и цифровые детали, важно различить DGND и AGND.Поскольку аналоговые сигналы более чувствительны к шуму, разделение DGND и AGND может гарантировать, что на аналоговую часть не влияет электромагнитные помехи, вызванные переключением цифровых сигналов.Во время проектирования и процесса макета тиревой платы (ПХБ) размещение DGNDS необходимо тщательно рассмотреть, чтобы избежать формирования циклов, что может вызвать интерференцию текущих циклов.Правильно размещенные DGND помогают оптимизировать целостность сигнала и уменьшить излучаемые и проводимые помехи.

4.3 Power Ground PGND

В нашей жизни цепи будут разделены на схемы с низкой мощностью и мощными цепями.Аналоговый заземление AGND или цифровой наземной DGND, упомянутый выше, являются схемами с низкой мощностью.Для этих мощных цепей, таких как цепи моторного привода, схемы привода соленоидного клапана и т. Д., Существует также специальная опорная почва, называемая мощностью PGND.В мощных цепях величина и изменение тока оказывают более выраженное влияние на систему заземления, чем в схемах с низкой мощностью.Следовательно, по сравнению с аналоговым аналоговым заземлением или цифровым наземным DGND, можно сказать, что PGND мощности является специально разработанным для обработки этих высоких токов и обеспечения стабильности цепи.

В этих мощных цепях значительное увеличение тока может легко привести к смещению земли между различными функциональными целями.Этот сдвиг происходит, когда эталонная точка земли (GND) испытывает падение напряжения из -за высокого тока прохода.Например, предположим, что разработанная схема, которая требует стабилизированного напряжения 5 В, но из -за смещения в земле.В этом случае эталонная точка GND может возрасти с 0 В до 1 В, что приведет к снижению фактического напряжения до 4 В (5 В-1 В = 4 В), что влияет на общую производительность и надежность схемы.Следовательно, при разработке мощных цепей необходимо уделить особое внимание на макет и реализацию PGND.Правильная конструкция PGND может минимизировать влияние смещения земли и обеспечить стабильность питания.Попробуйте использовать более толстые провода, выделенные слои заземления или разработать несколько точек заземления, чтобы распределить ток, тем самым уменьшая падение напряжения в одной точке.

Кроме того, PGND также помогает уменьшить электромагнитные помехи (EMI), вызванные высокими токами.Предоставляя стабильную ссылку на землю, PGND помогает уменьшить шум и помехи в цепях, особенно в приложениях, где электромагнитная совместимость (EMC) является особым соображением.

4.4 Power Ground GND

Аналоговая земля Agnd, цифровой заземление DGND и Power Ground PGND принадлежат категории DC Ground GND.Эти различные типы оснований в конечном итоге объединяются, чтобы сформировать опорное заземление 0 В для всей схемы, которая представляет собой мощность GND.Напряжение и ток всех цепей происходят из источника питания.Следовательно, GND источника питания становится основой и отправной точкой всех цепей.Это объясняет, почему различные типы оснований в конечном итоге должны быть объединены в GND мощности, чтобы обеспечить общую согласованность и стабильность цепи.

4.5 Exchange Place CGND

Заземление переменного тока обычно появляется в проектах схемы, содержащих источники питания переменного тока, такие как AC-DC на рисунке ниже.В этих цепях, поскольку передняя часть схемы представляет собой часть переменного тока, а задняя часть преобразуется в DC, две разные точки заземления неизбежно образуются: одна для части AC, а другая для детали DC.Чтобы обеспечить согласованность схемы, инженеры обычно подключают две точки заземления через конденсатор или индуктора, чтобы объединить заземление переменного тока и заземление постоянного тока.

DC и AC

4.6

Напряжение безопасности человека, как правило, считается напряжением ниже 36 В.Когда напряжение превышает этот порог, оно может причинить вред, если применяется к человеческому телу.Следовательно, при разработке высоковольтных и высоких цепей инженеры часто реализуют EGND для повышения безопасности.Это распространено в схемах бытовых приборов, таких как фанаты, холодильники и телевизоры.Гнездо с заземляющей защитой EGND показана на рисунке ниже.

Гнездо с защитой от наземного EGND

220V AC требует только живых и нейтральных проводов.Почему бы домашние приборные розетки имеют 3 терминала?

Обычно источник питания AC 220 В требуется только два провода: горячий провод (горячий провод) и нейтральный провод (нейтральный провод).Главы для бытовых приборов обычно включают третий терминал, EGND EGND.Добавление этого третьего терминала, хотя он не участвует в основной функции схемы, обеспечивает критическую безопасность.Когда разлом возникает внутри электрического прибора, например, повреждение изоляции, вызывая электрифицированное тело, он обеспечивает безопасный путь побега для тока.Таким образом, любой неправильный ток направляется на землю, а не через человеческое тело, касающееся устройства, что значительно снижает риск удара.Следовательно, существует четкая разница в значении цепи между EGND и другими типами заземляющих проводов GND.EGND не участвует непосредственно в основной функции схемы.Специально разработанный для повышения безопасности, он подключается к Земле, чтобы обеспечить стабильную контрольную точку наземного направления и провести электроэнергию во время аномальных условий для защиты оборудования и пользователей от высоких напряжений.

Применение EGND в конструкции схемы не ограничивается бытовыми приборами.EGND является необходимой мерой безопасности в любой конструкции схемы, включающей высокое напряжение или ток.Это помогает гарантировать, что безопасность эксплуатации поддерживается даже в случае отказа оборудования или других необычных обстоятельств.

В конструкции электронных цепи концепция GND Ground GND кажется простой, но она содержит множество различных функций и классификаций, что делает, казалось бы, простую проблему цепи довольно сложной.Итак, почему так много подразделений функций заземления GND?Вообще говоря, когда инженеры проектируют цепи, они часто называют все заземления GND просто как GND и не различают их в схематическом дизайне.Хотя этот подход прост в эксплуатации, он вызовет ряд проблем, особенно на стадии проводки печатных плат, где трудно эффективно идентифицировать и обрабатывать провода заземления GND различных функций схемы.

Что касается проблемы перекрестного столкновения сигнала, когда GND различных функций напрямую подключается, особенно когда GND мощной схемы смешивается с GND схемы с низкой мощностью, он может оказать влияние на контрольную точку 0 Всхема низкой мощности.Такой метод проводки может легко вызвать перекрестные помехи сигнала между различными цепями, что влияет на производительность цепи.Например, в системе, содержащей высокоскоростные цифровые схемы и точные аналоговые схемы, если тот же GND является общим, высокочастотные операции переключения в цифровых цепях могут вызвать значительные колебания напряжения на общем пути GND.Эти колебания распространяются по пути GND, влияя на производительность аналоговых цепей.Следовательно, это идеально использовать отдельные плоскости GND или следы, чтобы уменьшить это взаимное помехи.

При проектировании более сложных схем систем управление GND становится более сложным.Например, в проекте схемы систем, который включает как аналоговые, так и цифровые подсистемы, когда AGND аналоговой схемы подключен к CGND источника питания переменного тока, на стабильность AGND может повлиять периодические изменения в CGND.Напряжение в CGND источника питания переменного тока периодически колеблется, в то время как GND DC, как правило, остается постоянным при 0 В.Это колебание может распространяться в аналоговую схему, вызывая отклонения в эталонном напряжении.Чтобы избежать этого, общим подходом является использование методов изоляции или использование отдельной плоскости AGND для обеспечения точности и точности сигнала.

Электромагнитная совместимость (EMC) является важным соображением в конструкции цепи, и расположение GND также оказывает значительное влияние на EMC.Когда GND различных цепей подключены, схема с более сильным сигналом может непосредственно мешать схеме с более слабым сигналом.Это помехи могут привести к тому, что схема с более слабым сигналом станет источником электромагнитного излучения из более сильного внешнего источника, что затрудняет обработку схемы EMC.Если вы обеспокоены этим типом проблемы, рассмотрите такие методы, как фильтрация, экранирование и выделенные выравнивания GND во время дизайна, чтобы минимизировать возникновение таких помех.

ЭМС фильтр

Наконец, чем меньше сигнальных соединений между схемами, тем больше их способность работать независимо.Напротив, чем больше сигнальных соединений, тем более слабая способность каждой схемы работать независимо.Если заземляющие провода цепей с различными функциями подключены, это эквивалентно добавлению потенциальной интерференционной связи между цепями, что может снизить общую надежность схемы.Например, если нет пересечения между двумя системами схем A и B, функциональность системы A не повлияет на нормальную работу системы B, и наоборот.Но если наземные провода этих систем являются смешанными, могут быть введены ненужные помехи, влияющие на стабильность и надежность схемы.

В целом, роль GND в конструкции электронных цепи выходит далеко за пределы простой точки заземления.От обеспечения базовой электрической безопасности до обеспечения точной и стабильной работы цепей, важность GND не может быть проигнорирована.Это многочисленные классификации и сложные принципы работы требуют, чтобы инженеры приняли сложные и вдумчивые стратегии при разработке и внедрении цепей.Будь то обычные электрические приборы в повседневной жизни или высококлассных технологических продуктах, разумная стратегия заземления является основой для достижения эффективных, надежных и безопасных электронных продуктов.Следовательно, для любого проекта, включающего электронные схемы, тщательное понимание характеристик и приложений GND является ключом к успешному дизайну.