Devrede GND nedir?

Elektronik devreleri keşfederken, GND (toprak) kavramını ve devre tasarımındaki çoklu rollerini anlayın.GND, elektronik devrelerde temel bir unsur olarak, sadece devrenin referans potansiyel noktasını sağlamakla kalmaz, aynı zamanda devrenin performansı, istikrarı ve güvenliğinde de önemli bir rol oynar.Hanehalkı aletlerinin temel güvenlik korumasından karmaşık elektronik ekipmanlardaki gelişmiş uygulamalara kadar, GND'nin rolü ve uygulanması birçok açıdan ve karmaşıklıkları sunulmaktadır.Bu makale, bu kritik devre bileşenini anlama konusunda kapsamlı bir bakış açısı sağlamak için farklı GND türleri, nasıl çalıştıkları ve devre tasarımındaki önemi hakkında derinlemesine bir tartışma sağlamayı amaçlamaktadır.

GND (zemin) nedir?

GND zemin kısaltmasıdır.GND zemin veya 0 tel anlamına gelir.

Zemin ayrıca gerçek bir zemin değil, uygulama amacıyla varsayılan bir zemin olan Dünya'ya da atıfta bulunabilir.Kullanıcının yüksek voltajlara maruz kalmasını önlemek için elektrik ekipmanlarını yere bağlar.

Devrede çeşitli 'gerekçeler'

Topraklama, elektrik sistemlerinin temel bir güvenlik özelliğidir.Temel amacı, elektrikli ekipmanların, özellikle de ev buzdolapları, çamaşır makineleri veya fırınlar gibi metal gövdeleri olanların güvenli çalışmasını sağlamaktır.Tasarım gereği, bu cihazların gövdesi canlı olmamalıdır.Bununla birlikte, gerçek kullanımda, yaşlanma veya yalıtım malzemelerine verilen hasar gibi iç hatalar nedeniyle gövde yanlışlıkla yüklenebilir.Ekipman topraklanmazsa, canlı gövde, ekipmana dokunurken doğrudan elektrik çarpması riskine neden olacaktır.Bunu önlemek için, özel bir zemin iletkeni aracılığıyla ekipman gövdesini yere bağlamak, yanlış yönlendirilmiş herhangi bir akımın, ekipmana dokunan insan vücudundan ziyade güvenli bir şekilde yere yönlendirilmesini sağlar.Elektrikli ekipmanların topraklamasının bileşimi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Elektrikli ekipman topraklamasının bileşimi

Teknik düzeyde, topraklama genellikle bir topraklama kablosu veya toprak çubuğuna fiziksel bir bağlantıya dayanır.Bu öğütülmüş tellerin bir ucu, ekipmanın metal bir kısmına bağlanır ve diğer uç binanın topraklama sistemine bağlanır veya doğrudan yeraltına gömülür.Bu bağlantı yöntemi etkili bir şekilde güvenli bir yol oluşturur, böylece iç bir hata durumunda, sızan herhangi bir akım etkili bir şekilde yere yönlendirilir ve böylece elektrik şoku riskinden kaçınır.

Bazı yüksek riskli ortamlarda, temel güvenlik rolüne ek olarak, topraklama, sızıntı mevcut cihazlar (RCD'ler) gibi diğer güvenlik cihazlarıyla birlikte kullanılabilir.Bu cihazların işlevi, cihazın içine ve dışına akan akımın dengeli olup olmadığını izlemektir.Bir dengesizlik tespit edilirse (akımın insan vücudu gibi diğer anormal yollardan aktığını gösterir), cihaz elektrik şokunu önleme gücünü hemen kesecektir.

Özel elektrikli ekipmanlarda, topraklama, tıbbi ekipman veya yüksek hassasiyetli laboratuvar ekipmanlarında olduğu gibi daha çeşitli bir rol oynar, burada sadece personelin korunması için değil, aynı zamanda ekipmanın doğru çalışmasını sağlamak ve elektromanyetik girişimleri önlemek için kullanılır..Bu gibi durumlarda, topraklamanın tasarımı ve uygulanması, belirli güvenlik ve fonksiyonel gereksinimleri karşılamak için daha kesin ve karmaşık olmalıdır.

GND, elektronik devre tasarımında çok önemli bir rol oynar.Rolü aşağıdaki teknik boyutlardan derinlemesine analiz edilebilir:

Bunlardan biri referans potansiyeli sağlamaktır.GND genellikle bir devrede ortak referans potansiyel noktasını sağlar.Bir devredeki tüm voltajlar GND'ye göre ölçülür, yani GND noktasının sıfır voltaj noktası olarak tanımlandığı anlamına gelir.Ortak bir referans potansiyel noktası, devre bileşenleri ve doğru sinyal iletimi arasında doğru voltaj seviyelerini sağlar.

İkincisi, mevcut döngü yollarının oluşumudur.Herhangi bir devrede, akımın uygun çalışmayı gerçekleştirmek için tam bir döngü yolu olması gerekir.GND, akımın güç kaynağından devrenin yük kısmına (örn. Transistör, direnç, vb.) Akış yolu sağlar ve daha sonra tam bir akım döngü yolu oluşturarak GND yoluyla güç kaynağına geri döner.

Üçüncüsü elektromanyetik parazit (EMI) korumasıdır.GND'nin devre tasarımındaki en önemli rolü, özellikle EMI olmak üzere dış paraziti azaltmaktır.Devrenin hassas kısmını topraklayarak, müdahale eden sinyaller etkili bir şekilde yere şöntlenebilir, böylece devreyi EMI'dan koruyabilir.

Dördüncüsü devrenin performansını ve stabilitesini artırmaktır.İyi bir topraklama tasarımı, devrenin genel performansını ve stabilitesini önemli ölçüde artırabilir.Bir yıldız zemini veya çok noktalı topraklama stratejisi kullanmak, zemin kablolarının neden olduğu potansiyel farklılıkları en aza indirebilir, böylece sinyal yolundaki gürültüyü ve bozulmayı azaltabilir.Örneğin, yüksek hızlı dijital devrelerde, doğru topraklama yöntemleri sinyal yansımalarını ve çaprazlanmayı azaltabilir, böylece sinyal bütünlüğünü iyileştirebilir.

Beşinci güvenlik koruma mekanizmasıdır.Kısa devre veya hasarlı ekipman gibi bir arıza koşulu olması durumunda, GND akımın deşarjı için güvenli bir yol sağlar.Bu, elektrik yangınlarını veya ekipman hasarını önleyerek aşırı akımı hızlı bir şekilde değiştirmeye yardımcı olur.Buna ek olarak, topraklama operatör güvenliğini sağlamaya yardımcı olur ve ekipman arızası nedeniyle elektrik şoku riskini önler.

Yukarıdaki analiz sayesinde, GND'nin sadece elektronik devre tasarımında temel bir unsur değil, aynı zamanda devre performansı, stabilite ve güvenliği korumanın anahtarı olduğunu görebiliriz.Tasarım işlemi sırasında, farklı devre türlerinin GND için farklı gereksinimleri vardır.Bu nedenle, mühendisler devre tasarımının optimizasyonunu ve güvenliğini sağlamak için topraklama stratejisini dikkatlice düşünmelidir.Basit devre tasarımı ister karmaşık sistem entegrasyonunda olsun, makul bir topraklama stratejisi, verimli, güvenilir ve güvenli elektronik ürünlere ulaşmanın temelini oluşturur.

4.1 Analog Zemin Agnd

Analog zemin AGND esas olarak analog devrelerde, özellikle ADC edinme devreleri ve operasyonel amplifikatör devreleri gibi zayıf analog sinyalleri içeren uygulamalarda kullanılır.Bu devrelerde, analog sinyallerin duyarlılığı ve zayıflığı nedeniyle, diğer devrelerden gelen büyük akım parazitlerine son derece duyarlıdırlar.Özel bir AGND olmadan, bu büyük akımlar analog devrelerde önemli voltaj düşüşleri üretebilir, bu da ciddi durumlarda sinyal bozulmasına ve hatta devre arızasına neden olabilir.Bu nedenle, analog sinyallerin bütünlüğünü ve doğruluğunu korumak için AGND varlığı önemlidir.

4.2 Dijital Zemin DGND

Dijital zemin DGND, özellikle anahtar algılama devreleri, USB iletişim devreleri ve mikrodenetleyici devreler gibi dijital devrelerdeki uygulamalarda analog zemin AGND'den farklıdır.Dijital devrelerin temel bir özelliği, işledikleri sinyallerin ayrık olmasıdır, yani sinyalin sadece iki durum arasındaki değiştiği, genellikle dijital "0" ve dijital bir dijital "1." olarak tanımlanmıştır.Aşağıda gösterildiği gibi.

Dijital devre işleme

Bu durumlar farklı voltaj seviyelerine karşılık gelir, genellikle "0" düşük bir seviyeyi temsil eder ve "1" yüksek bir seviyeyi temsil eder.Voltajdaki hızlı değişiklikler, bir dijital devre "0" durumundan "1" durumuna geçtiğinde veya tam tersi olduğunda ortaya çıkar.Bu değişiklikler sadece voltajın kendisini değil, aynı zamanda akımdaki eşlik eden değişiklikleri de içerir.Maxwell'in elektromanyetik teorisine göre, bu akımdaki değişiklikler çevresinde değişen bir manyetik alan üretir, bu da devredeki diğer bileşenlere veya bitişik devrelere parazite neden olabilecek elektromanyetik parazit (EMI) oluşturur.Bu elektromanyetik girişimin devrenin genel performansı üzerindeki etkisini azaltmak için tasarımcılar genellikle bağımsız bir dijital zemin DGND kullanırlar.Analog zemin (AGND) ile karşılaştırıldığında, DGND, stabil bir referans noktası sağlamak ve dijital sinyaller tarafından üretilen elektromanyetik paraziti etkili bir şekilde izole etmek için dijital devreler için özel olarak tasarlanmıştır.Bu, devrenin genel gürültü seviyesini azaltmaya yardımcı olur, böylece sinyal bütünlüğünü ve devre güvenilirliğini artırır.

Karmaşık devre sistemlerinde, özellikle hem analog hem de dijital parçalar içerenlerde, DGND ve AGND arasında ayrım yapmak önemlidir.Analog sinyaller gürültüye daha duyarlı olduğundan, DGND ve AGND'nin ayrılması, analog parçanın dijital sinyal anahtarlamasının neden olduğu elektromanyetik parazitten etkilenmemesini sağlayabilir.Devre Kart (PCB) tasarımı ve düzen işlemi sırasında, akım döngü parazitine neden olabilecek döngüler oluşturmayı önlemek için DGND'lerin yerleştirilmesinin dikkatle dikkate alınması gerekir.Düzgün yerleştirilmiş DGND'ler sinyal bütünlüğünü optimize etmeye yardımcı olur ve yayılan ve yürütülen paraziti azaltır.

4.3 Power Ground PGND

Hayatımızda devreler düşük güç devrelerine ve yüksek güçlü devrelere bölünecektir.Yukarıda belirtilen analog zemin agnd veya dijital zemin DGND düşük güçlü devrelerdir.Motor tahrik devreleri, solenoid valf tahrik devreleri vb. Gibi bu yüksek güçlü devreler için vb. Güç toprak PGND adlı özel bir referans alanı da vardır.Yüksek güçlü devrelerde, akımın büyüklüğü ve varyasyonu, topraklama sistemi üzerinde düşük güç devrelerinden daha belirgin bir etkiye sahiptir.Bu nedenle, düşük güçlü analog zemin agnd veya dijital zemin DGND ile karşılaştırıldığında, güç topraklama PGND'nin bu yüksek akımları işlemek ve devre stabilitesini sağlamak için özel olarak tasarlandığı söylenebilir.

Bu yüksek güçlü devrelerde, akımdaki önemli artış, farklı fonksiyonel devreler arasında kolayca yer ofseti ile sonuçlanabilir.Bu kayma, zemin referans noktası (GND) yüksek akım geçişinden dolayı bir voltaj düşüşü yaşadığında gerçekleşir.Örneğin, 5V'lik bir stabilize voltaj gerektiren, ancak zemindeki bir ofset nedeniyle bir devre tasarlandığını varsayalım.Bu durumda, GND referans noktası 0V'den 1V'ye yükselebilir, bu da gerçek voltajın 4V'ye (5V-1V = 4V) düşmesine neden olur, böylece devrenin genel performansını ve güvenilirliğini etkiler.Bu nedenle, yüksek güç devreleri tasarlarken, PGND'nin düzenine ve uygulanmasına özel dikkat gösterilmelidir.Uygun PGND tasarımı, zemin ofsetinin etkilerini en aza indirebilir ve güç kaynağının stabilitesini sağlayabilir.Akımı yaymak için daha kalın teller, özel topraklama katmanları veya birden fazla topraklama noktası tasarlamayı deneyin, böylece voltaj düşüşünü tek bir noktada azaltır.

Ek olarak, PGND ayrıca yüksek akımların neden olduğu elektromanyetik girişimin (EMI) azaltılmasına yardımcı olur.Kararlı bir yer referansı sağlayarak PGND, özellikle elektromanyetik uyumluluğun (EMC) özel bir husus olduğu uygulamalarda devrelerdeki gürültüyü ve paraziti azaltmaya yardımcı olur.

4.4 Power Ground GND

Analog zemin agnd, dijital zemin dgnd ve elektrik zemini PGND, DC Ground Gnd kategorisine aittir.Bu farklı gerekçeler nihayetinde bir araya gelir, bu da tüm devre için GND olan tüm devre için 0V referans zemini oluşturmak için bir araya gelir.Tüm devrelerin voltajı ve akımı güç kaynağından kaynaklanır.Bu nedenle, güç kaynağının GND'si tüm devrelerin temeli ve başlangıç noktası haline gelir.Bu, devrenin genel tutarlılığını ve stabilitesini sağlamak için nihayetinde farklı zemin türlerinin nihayetinde güç zemini GND'de bir araya getirilmesi gerektiğini açıklar.

4.5 Exchange Place CGND

AC Ground CGND genellikle aşağıdaki şekilde AC-DC gibi AC güç kaynakları içeren devre projelerinde görünür.Bu devrelerde, devrenin ön kısmı AC kısmı ve arka kısım DC'ye dönüştürüldüğünden, kaçınılmaz olarak iki farklı zemin noktası oluşur: biri AC kısmı için, diğeri DC kısmı için.Devrenin kıvamını sağlamak için, mühendisler genellikle AC toprak ve DC topraklamasını birleştirmek için bir bağlantı kapasitörü veya indüktör aracılığıyla iki zemin noktasını bağlar.

DC ve AC

4.6 Zemin Egnd

İnsan vücudu güvenliği voltajı genellikle 36V'den düşük bir voltaj olarak kabul edilir.Voltaj bu eşiği aştığında, bir insan vücuduna uygulanırsa zarar verebilir.Bu nedenle, yüksek voltaj ve yüksek akım devreleri tasarlarken, mühendisler genellikle güvenliği artırmak için EGND uygularlar.Bu, hayranlar, buzdolapları ve televizyonlar gibi ev aletlerinin devrelerinde yaygındır.Geri EGND korumalı bir soket aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Zemin EGND korumalı soket

220V AC sadece canlı ve nötr kablolar gerektirir.Hanehalkı cihazı soketlerinin neden 3 terminali var?

Normalde, 220V AC güç kaynağı sadece iki kablo gerektirir: bir sıcak tel (sıcak tel) ve nötr tel (nötr tel).Hanehalkı aletleri için soketler genellikle üçüncü bir terminal içerir, toprak toprak teli egnd.Bu üçüncü terminalin eklenmesi, devrenin ana işlevine katılmasa da, kritik güvenlik koruması sağlar.Elektrikli cihazın içinde, vücudun elektrikleşmesine neden olan yalıtım hasarı gibi bir hata oluştuğunda, akım için güvenli bir kaçış yolu sağlar.Bu şekilde, yanlış yönlendirilmiş herhangi bir akım, cihaza dokunan insan vücudundan ziyade yere yönlendirilir ve elektrik şoku riskini büyük ölçüde azaltır.Bu nedenle, EGND ile diğer öğütülmüş teller GND arasında devre anlamında net bir fark vardır.EGND, devrenin ana işlevine doğrudan dahil değildir.Güvenliği artırmak için özel olarak tasarlanmış, istikrarlı bir yer referans noktası sağlamak için Dünya'ya bağlanır ve ekipmanı ve kullanıcıları yüksek voltajlardan korumak için anormal koşullar sırasında elektrik iletir.

EGND'nin devre tasarımına uygulanması ev aletleri ile sınırlı değildir.EGND, yüksek voltaj veya akım içeren herhangi bir devre tasarımında gerekli bir güvenlik önlemidir.Ekipman arızası veya diğer olağandışı durumlarda bile operasyonel güvenliğin korunmasını sağlamaya yardımcı olur.

Elektronik devre tasarımında, toprak teli GND kavramı basit görünüyor, ancak görünüşte basit bir devre problemini oldukça karmaşık hale getiren çeşitli farklı işlevler ve sınıflandırmalar içerir.Peki, neden GND topraklama fonksiyonlarının bu kadar çok alt bölümü var?Genel olarak konuşursak, mühendisler devreler tasarladıklarında, genellikle tüm GND toprak tellerini GND olarak adlandırırlar ve şematik tasarımda ayırt etmezler.Bu yaklaşım çalışırken basit olsa da, özellikle PCB kablolama aşamasında, farklı devre fonksiyonlarının GND toprak tellerini etkili bir şekilde tanımlamanın ve işlemenin zor olduğu bir dizi soruna neden olacaktır.

Sinyal karışma konusu ile ilgili olarak, farklı fonksiyonların GND'leri doğrudan bağlandığında, özellikle yüksek güçlü bir devrenin GND'si düşük güçlü bir devrenin GND'si ile karıştırıldığında,düşük güçlü devre.Böyle bir kablolama yöntemi, farklı devreler arasında kolayca sinyal karışmaya neden olabilir, böylece devrenin performansını etkileyebilir.Örneğin, yüksek hızlı dijital devreler ve hassas analog devreler içeren bir sistemde, aynı GND paylaşılırsa, dijital devrelerdeki yüksek frekanslı anahtarlama işlemleri, paylaşılan GND yolunda önemli voltaj dalgalanmalarına neden olabilir.Bu dalgalanmalar, analog devrelerin performansını etkileyerek GND yolunda yayılır.Bu nedenle, bu karşılıklı paraziti azaltmak için ayrı GND düzlemleri veya izler kullanmak idealdir.

Daha karmaşık devre sistemleri tasarlarken, GND yönetimi daha karmaşık hale gelir.Örneğin, hem analog hem de dijital alt sistemleri içeren bir devre sistemi projesinde, bir analog devrenin agnD'si bir AC güç kaynağının CGND'sine bağlandığında, AGND'nin stabilitesi CGND'deki periyodik değişikliklerden etkilenebilir.AC güç kaynağı CGND'deki voltaj periyodik olarak dalgalanırken, DC toprak GND genellikle 0V'de sabit kalır.Bu dalgalanma, analog devreye yayılabilir ve referans voltajındaki sapmalara neden olabilir.Bundan kaçınmak için yaygın bir yaklaşım, izolasyon tekniklerini kullanmak veya sinyal hassasiyetini ve doğruluğunu sağlamak için ayrı bir AGND düzlemi kullanmaktır.

Elektromanyetik uyumluluk (EMC) devre tasarımında önemli bir husustur ve GND'nin düzeninin EMC üzerinde de önemli bir etkisi vardır.Farklı devrelerin GND'leri bağlandığında, daha güçlü sinyal olan devre, daha zayıf sinyal ile devreye doğrudan müdahale edebilir.Bu parazit, zayıf sinyal olan devrenin daha güçlü bir harici kaynaktan elektromanyetik radyasyon kaynağı olmasına neden olabilir, bu da devrenin EMC kullanımını zorlaştırır.Bu tür bir sorundan endişe ediyorsanız, bu tür parazit durumlarının oluşumunu en aza indirmek için tasarım sırasında filtreleme, ekranlama ve özel GND hizalamaları gibi teknikleri düşünün.

EMC filtresi

Son olarak, devre sistemleri arasındaki daha az sinyal bağlantısı, bağımsız olarak çalışma yetenekleri o kadar artar.Aksine, ne kadar sinyal bağlantısı varsa, her devre sisteminin bağımsız çalışma yeteneği o kadar zayıf olur.Farklı fonksiyonlara sahip devrelerin zemin kabloları bağlanırsa, devreler arasında devrenin genel güvenilirliğini azaltabilecek potansiyel bir girişim bağlantısı eklemeye eşdeğerdir.Örneğin, iki devre sistemi A ve B arasında bir kavşak yoksa, Sistem A'nın işlevselliği Sistem B'nin normal çalışmasını etkilemez ve bunun tersi de geçerlidir.Ancak bu sistemlerin zemin kabloları karışıksa, devrenin stabilitesini ve güvenilirliğini etkileyen gereksiz parazitler getirilebilir.

Genel olarak, GND'nin elektronik devre tasarımındaki rolü basit bir topraklama noktasının çok ötesine geçiyor.Temel elektrik güvenliğini sağlamaktan devrelerin doğru ve istikrarlı çalışmasını sağlamaya kadar GND'nin önemi göz ardı edilemez.Çoklu sınıflandırmalar ve karmaşık çalışma ilkeleri, mühendislerin devreleri tasarlarken ve uygularken sofistike ve düşünceli stratejiler benimsemelerini gerektirir.İster günlük yaşamda veya üst düzey teknoloji ürünlerinde normal elektrikli cihazlarda olsun, makul bir topraklama stratejisi, verimli, güvenilir ve güvenli elektronik ürünlere ulaşmanın temelini oluşturur.Bu nedenle, elektronik devreleri içeren herhangi bir proje için, GND'nin özellikleri ve uygulamaları hakkında kapsamlı bir anlaşma başarılı bir tasarımın anahtarıdır.