GND در مدار چیست؟

در کاوش مدارهای الکترونیکی ، مفهوم GND (زمین) و نقش های متعدد آن را در طراحی مدار درک کنید.GND ، به عنوان یک عنصر اساسی در مدارهای الکترونیکی ، نه تنها نقطه پتانسیل مرجع مدار را فراهم می کند بلکه نقش مهمی در عملکرد ، پایداری و ایمنی مدار نیز ایفا می کند.از حفاظت اولیه ایمنی لوازم خانگی گرفته تا کاربردهای پیشرفته در تجهیزات الکترونیکی پیچیده ، نقش و اجرای GND در بسیاری از جنبه ها و پیچیدگی آنها ارائه شده است.این مقاله با هدف ارائه بحث عمیق در مورد انواع مختلف GND ، نحوه کار آنها و اهمیت آنها در طراحی مدار برای ارائه دیدگاه جامع در مورد درک این مؤلفه مدار بحرانی است.

GND (زمین) چیست؟

GND مخفف زمین است.GND مخفف سیم زمین یا 0 است.

زمین همچنین می تواند به زمین مراجعه کند ، که یک زمین واقعی نیست بلکه یک زمین فرضی برای اهداف کاربردی است.تجهیزات الکتریکی را به زمین متصل می کند تا از قرار گرفتن در معرض ولتاژهای بالا استفاده کند.

"زمین های مختلف" در مدار

Grounding یک ویژگی ایمنی اصلی سیستم های برقی است.هدف اصلی آن اطمینان از عملکرد ایمن تجهیزات برقی ، به ویژه آنهایی که دارای اجسام فلزی مانند یخچال های خانگی ، ماشین لباسشویی یا اجاق گاز هستند.با طراحی ، بدنه این دستگاه ها نباید زنده باشد.با این حال ، در استفاده واقعی ، بدنه ممکن است به دلیل گسلهای داخلی مانند پیری یا آسیب به مواد عایق به طور تصادفی شارژ شود.اگر تجهیزات زمینی نباشد ، بدن زنده به طور مستقیم در هنگام لمس تجهیزات ، خطر شوک الکتریکی را ایجاد می کند.برای جلوگیری از این امر ، اتصال بدن تجهیزات به زمین از طریق یک هادی اختصاصی زمین تضمین می کند که هر جریان نادرست با خیال راحت به جای بدن انسان که تجهیزات را لمس می کند ، به زمین هدایت می شود.ترکیب پایه تجهیزات الکتریکی در شکل زیر نشان داده شده است.

ترکیب تجهیزات الکتریکی

در سطح فنی ، زمین به طور معمول به اتصال فیزیکی به سیم زمین یا میله زمینی متکی است.یک انتهای این سیم های زمینی به قسمت فلزی تجهیزات وصل شده است و انتهای دیگر به سیستم زمینی ساختمان متصل است یا مستقیماً در زیر زمین دفن می شود.این روش اتصال به طور موثری مسیری ایمن را ایجاد می کند به طوری که در صورت گسل داخلی ، هر جریان نشت شده به طور موثری به زمین هدایت می شود ، بنابراین از خطر شوک الکتریکی جلوگیری می شود.

در برخی از محیط های پرخطر ، علاوه بر نقش ایمنی اساسی آن ، ممکن است از زمین نیز در رابطه با سایر دستگاه های ایمنی مانند دستگاه های فعلی نشت (RCD) استفاده شود.عملکرد این دستگاه ها نظارت بر اینکه آیا جریان جریان به داخل و خارج از دستگاه متعادل است.اگر عدم تعادل تشخیص داده شود (نشان می دهد که جریان ممکن است در سایر مسیرهای غیر طبیعی مانند بدن انسان جریان داشته باشد) ، دستگاه بلافاصله قدرت را قطع می کند تا از شوک الکتریکی جلوگیری شود.

در تجهیزات الکتریکی ویژه ، زمینی نقش متنوعی را ایفا می کند ، مانند تجهیزات پزشکی یا تجهیزات آزمایشگاهی با دقت بالا ، جایی که نه تنها برای محافظت از پرسنل بلکه برای اطمینان از عملکرد دقیق تجهیزات و جلوگیری از تداخل الکترومغناطیسی نیز استفاده می شود.بشردر چنین مواردی ، طراحی و اجرای خاکستر برای برآورده کردن ایمنی و الزامات عملکردی خاص باید دقیق تر و پیچیده تر باشد.

GND نقش بسیار مهمی در طراحی مدار الکترونیکی ایفا می کند.نقش آن را می توان به عمق از ابعاد فنی زیر تجزیه و تحلیل کرد:

یکی ارائه پتانسیل مرجع است.GND معمولاً نقطه پتانسیل مرجع مشترک را در یک مدار فراهم می کند.تمام ولتاژهای موجود در یک مدار نسبت به GND اندازه گیری می شوند ، به این معنی که نقطه GND به عنوان نقطه ولتاژ صفر تعریف می شود.یک نقطه پتانسیل مرجع مشترک سطح ولتاژ صحیح بین اجزای مدار و انتقال دقیق سیگنال را تضمین می کند.

دوم تشکیل مسیرهای حلقه فعلی است.در هر مدار ، جریان باید یک مسیر حلقه کامل برای انجام عملکرد مناسب داشته باشد.GND مسیری را برای جریان جریان از منبع تغذیه به قسمت بار مدار (به عنوان مثال ، ترانزیستور ، مقاومت و غیره) فراهم می کند و سپس از طریق GND به منبع تغذیه باز می گردد و یک مسیر حلقه جریان کامل را تشکیل می دهد.

سوم محافظ الکترومغناطیسی (EMI) است.مهمترین نقش GND در طراحی مدار ، کاهش تداخل خارجی ، به ویژه EMI است.با قرار دادن قسمت حساس مدار ، سیگنال های تداخل را می توان به طور مؤثر به زمین شلیک کرد ، بنابراین مدار را از EMI محافظت می کند.

چهارم بهبود عملکرد و ثبات مدار است.یک طرح زمینی خوب می تواند عملکرد کلی و پایداری مدار را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد.استفاده از یک استراتژی زمینی زمین یا چند نقطه ای می تواند اختلافات احتمالی ناشی از سیم های زمینی را به حداقل برساند و از این طریق باعث کاهش نویز و اعوجاج در مسیر سیگنال می شود.به عنوان مثال ، در مدارهای دیجیتالی با سرعت بالا ، روشهای درستی درست می توانند بازتاب سیگنال و متقاطع را کاهش دهند و از این طریق یکپارچگی سیگنال را بهبود بخشند.

پنجم مکانیسم محافظت از امنیت است.در صورت بروز شرایط گسل ، مانند یک مدار کوتاه یا تجهیزات آسیب دیده ، GND مسیری ایمن را برای تخلیه جریان فراهم می کند.این به سرعت جریان بیش از حد ، جلوگیری از آتش سوزی برقی یا آسیب تجهیزات کمک می کند.علاوه بر این ، زمینی به اطمینان از ایمنی اپراتور کمک می کند و از خطر شوک الکتریکی به دلیل خرابی تجهیزات جلوگیری می کند.

از طریق تجزیه و تحلیل فوق ، می توانیم ببینیم که GND نه تنها یک عنصر اساسی در طراحی مدار الکترونیکی بلکه کلید حفظ عملکرد مدار ، پایداری و ایمنی است.در طی فرآیند طراحی ، انواع مختلف مدارها نیازهای متفاوتی برای GND دارند.بنابراین ، مهندسان باید استراتژی زمینی را با دقت در نظر بگیرند تا از بهینه سازی و ایمنی طراحی مدار اطمینان حاصل شود.چه در طراحی مدار ساده یا ادغام سیستم پیچیده ، یک استراتژی زمینی معقول پایه و اساس دستیابی به محصولات الکترونیکی کارآمد ، قابل اعتماد و ایمن است.

4.1 آنالوگ زمین Agnd

زمین آنالوگ Agnd عمدتاً در مدارهای آنالوگ استفاده می شود ، به ویژه در برنامه های مربوط به سیگنال های آنالوگ ضعیف ، مانند مدارهای دستیابی به ADC و مدارهای تقویت کننده عملیاتی.در چنین مدارها ، به دلیل حساسیت و ضعف سیگنال های آنالوگ ، آنها در معرض تداخل جریان بزرگ از مدارهای دیگر بسیار مستعد هستند.بدون یک AGND اختصاصی ، این جریانهای بزرگ ممکن است افت ولتاژ قابل توجهی در مدارهای آنالوگ تولید کنند و باعث اعوجاج سیگنال و حتی نارسایی مدار در موارد شدید می شوند.بنابراین ، حضور AGND برای حفظ یکپارچگی و صحت سیگنال های آنالوگ قابل توجه است.

4.2 Digital Ground DGND

DIGITAL GRUND DGND با Agnd زمین آنالوگ ، به ویژه در برنامه های مدارهای دیجیتال ، مانند مدارهای تشخیص کلید ، مدارهای ارتباطی USB و مدارهای میکروکنترلر متفاوت است.یکی از ویژگی های اصلی مدارهای دیجیتال این است که سیگنال هایی که پردازش می کنند گسسته هستند ، به این معنی که سیگنال بین تنها دو حالت تغییر می کند ، که معمولاً به عنوان "0" دیجیتال و دیجیتال "1." شناخته می شوند.همانطور که در زیر نشان داده شده است.

مدار دیجیتال پردازش

این حالت ها با سطح ولتاژ مختلف مطابقت دارند ، معمولاً "0" سطح پایین را نشان می دهد و "1" سطح بالایی را نشان می دهد.تغییرات سریع در ولتاژ هنگامی اتفاق می افتد که یک مدار دیجیتال از حالت "0" به حالت "1" تغییر یابد یا برعکس.این تغییرات نه تنها ولتاژ بلکه تغییرات همراه در جریان را نیز شامل می شود.طبق نظریه الکترومغناطیسی ماکسول ، تغییرات در این جریان باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی در حال تغییر در اطراف آن می شود که به نوبه خود باعث ایجاد تداخل الکترومغناطیسی (EMI) می شود ، که می تواند باعث دخالت سایر اجزای موجود در مدار یا مدارهای مجاور شود.برای کاهش تأثیر این تداخل الکترومغناطیسی بر عملکرد کلی مدار ، طراحان معمولاً از DGND زمین دیجیتال مستقل استفاده می کنند.در مقایسه با زمین آنالوگ (AGND) ، DGND به طور ویژه برای مدارهای دیجیتال طراحی شده است تا یک نقطه مرجع پایدار ارائه دهد و به طور موثر تداخل الکترومغناطیسی تولید شده توسط سیگنال های دیجیتال را جدا کند.این به کاهش سطح نویز کلی مدار کمک می کند ، در نتیجه یکپارچگی سیگنال و قابلیت اطمینان مدار را بهبود می بخشد.

در سیستم های مدار پیچیده ، به ویژه آنهایی که دارای قطعات آنالوگ و دیجیتال هستند ، تفاوت بین DGND و AGND مهم است.از آنجا که سیگنال های آنالوگ نسبت به نویز حساس تر هستند ، جدا کردن DGND و AGND می توانند اطمینان حاصل کنند که قسمت آنالوگ تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی ناشی از تعویض سیگنال دیجیتال قرار نمی گیرد.در طول طراحی و فرآیند طرح و چیدمان برد مدار ، قرار دادن DGNDS برای جلوگیری از تشکیل حلقه ها ، باید با دقت در نظر گرفته شود ، که می تواند باعث تداخل حلقه فعلی شود.DGND های به درستی قرار داده شده به بهینه سازی یکپارچگی سیگنال و کاهش تداخل تابش و انجام شده کمک می کنند.

4.3 زمین قدرت PGND

در زندگی ما ، مدارها به مدارهای کم مصرف و مدارهای پر قدرت تقسیم می شوند.زمین آنالوگ Agnd یا Digital Ground DGND که در بالا ذکر شد ، مدارهای کم قدرت هستند.برای این مدارهای پرقدرت مانند مدارهای درایو حرکتی ، مدارهای درایو دریچه سولنوئید و غیره ، یک زمین مرجع ویژه به نام قدرت PGND وجود دارد.در مدارهای پرقدرت ، بزرگی و تغییر جریان تأثیر برجسته تری بر روی سیستم زمینی نسبت به مدارهای کم مصرف دارد.بنابراین ، در مقایسه با AGND زمین آنالوگ کم قدرت یا DIGITURE DGND ، می توان گفت که PGND قدرت زمین به ویژه برای کنترل این جریانهای بالا و اطمینان از پایداری مدار طراحی شده است.

در این مدارهای پر قدرت ، افزایش قابل توجه جریان به راحتی می تواند منجر به جبران زمین بین مدارهای مختلف عملکردی شود.این تغییر هنگامی اتفاق می افتد که نقطه مرجع زمین (GND) به دلیل عبور جریان زیاد ، افت ولتاژ را تجربه می کند.به عنوان مثال ، فرض کنید یک مدار طراحی شده است که به ولتاژ تثبیت شده 5 ولت نیاز دارد ، اما به دلیل جبران در زمین.در این حالت ، نقطه مرجع GND ممکن است از 0 ولت به 1 ولت افزایش یابد ، که باعث می شود ولتاژ واقعی به 4 ولت (5V-1V = 4V) کاهش یابد ، بنابراین بر عملکرد کلی و قابلیت اطمینان مدار تأثیر می گذارد.بنابراین ، هنگام طراحی مدارهای با قدرت ، باید به طرح و اجرای PGND توجه ویژه ای داشته باشید.طراحی مناسب PGND می تواند اثرات جبران زمین را به حداقل برساند و از ثبات منبع تغذیه اطمینان حاصل کند.سعی کنید از سیم های ضخیم تر ، لایه های زمینی اختصاصی یا طراحی چندین نقطه زمینی برای پخش جریان استفاده کنید ، بنابراین افت ولتاژ را در یک نقطه واحد کاهش می دهد.

علاوه بر این ، PGND همچنین به کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ناشی از جریانهای زیاد کمک می کند.PGND با ارائه یک مرجع پایدار زمین ، به کاهش نویز و تداخل در مدارها کمک می کند ، به ویژه در کاربردهایی که سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) مورد توجه ویژه ای است.

4.4 GND زمین قدرت

Analog Ground Agnd ، Digital Ground DGND ، و POWER GROUND PGND همه متعلق به گروه GND DC Ground GND هستند.این انواع مختلف زمین در نهایت جمع می شوند تا زمین مرجع 0V را برای کل مدار تشکیل دهند که GND زمین قدرت است.ولتاژ و جریان تمام مدارها از منبع تغذیه سرچشمه می گیرد.بنابراین ، GND منبع تغذیه به پایه و نقطه شروع همه مدارها تبدیل می شود.این توضیح می دهد که چرا انواع مختلفی از دلایل در نهایت باید به GND زمین قدرت جمع شود تا از قوام و ثبات کلی مدار اطمینان حاصل شود.

4.5 مکان مبادله CGND

AC Ground CGND معمولاً در پروژه های مدار حاوی منابع AC ، مانند AC-DC در شکل زیر ظاهر می شود.در این مدارها ، از آنجا که قسمت جلوی مدار قسمت AC است و قسمت پشتی به DC تبدیل می شود ، دو نقطه زمینی مختلف به ناچار شکل می گیرند: یکی برای قسمت AC و دیگری برای قسمت DC.برای اطمینان از قوام مدار ، مهندسان معمولاً دو نقطه زمین را از طریق خازن اتصال یا سلف به هم وصل می کنند تا زمین AC و زمین DC را متحد کنند.

DC و AC

4.6 زمین EGND

ولتاژ ایمنی بدن انسان به طور کلی ولتاژ پایین تر از 36 ولت محسوب می شود.هنگامی که ولتاژ از این آستانه فراتر رود ، در صورت اعمال به بدن انسان ممکن است آسیب برساند.بنابراین ، هنگام طراحی مدارهای با ولتاژ بالا و جریان بالا ، مهندسان اغلب EGND را برای تقویت ایمنی پیاده سازی می کنند.این امر در مدارهای لوازم خانگی مانند طرفداران ، یخچال ها و تلویزیون ها رایج است.یک سوکت با حفاظت از EGND زمینی در شکل زیر نشان داده شده است.

سوکت با حفاظت EGND زمین

220 ولت AC فقط به سیمهای زنده و خنثی نیاز دارد.چرا سوکت های لوازم خانگی دارای 3 پایانه هستند؟

به طور معمول ، یک منبع تغذیه 220 ولت فقط به دو سیم نیاز دارد: یک سیم داغ (سیم داغ) و یک سیم خنثی (سیم خنثی).سوکت برای لوازم خانگی معمولاً شامل یک ترمینال سوم ، سیم زمین زمین EGND است.علاوه بر این از این ترمینال سوم ، اگرچه در عملکرد اصلی مدار شرکت نمی کند ، اما حفاظت از ایمنی بحرانی را فراهم می کند.هنگامی که یک گسل در داخل دستگاه الکتریکی رخ می دهد ، مانند آسیب عایق باعث برق شدن بدن می شود ، یک مسیر فرار ایمن برای جریان فراهم می کند.به این ترتیب ، هر جریان نادرست به جای اینکه از طریق بدن انسان که دستگاه را لمس می کند ، به زمین هدایت می شود و خطر شوک الکتریکی را تا حد زیادی کاهش می دهد.بنابراین ، تفاوت روشنی در معنی مدار بین EGND و سایر انواع سیمهای زمینی GND وجود دارد.EGND به طور مستقیم در عملکرد اصلی مدار دخیل نیست.به طور خاص برای تقویت ایمنی طراحی شده است ، به زمین متصل می شود تا یک نقطه مرجع پایدار زمین را فراهم کند و در شرایط غیر طبیعی برق را برای محافظت از تجهیزات و کاربران از ولتاژهای بالا هدایت کند.

کاربرد EGND در طراحی مدار محدود به لوازم خانگی نیست.EGND یک اندازه گیری ایمنی لازم در هر طراحی مدار است که شامل ولتاژ بالا یا جریان است.این امر به اطمینان از حفظ ایمنی عملیاتی حتی در صورت خرابی تجهیزات یا سایر شرایط غیرمعمول کمک می کند.

در طراحی مدار الکترونیکی ، مفهوم GND سیم زمین ساده به نظر می رسد ، اما شامل انواع مختلفی از عملکردها و طبقه بندی های مختلف است که باعث می شود یک مشکل به ظاهر ساده مدار کاملاً پیچیده باشد.بنابراین ، چرا این تعداد زیرمجموعه های بسیاری از توابع زمینی GND وجود دارد؟به طور کلی ، هنگامی که مهندسان مدارها را طراحی می کنند ، اغلب همه سیمهای زمینی GND را به سادگی به عنوان GND نامگذاری می کنند و آنها را در طراحی شماتیک متمایز نمی کنند.اگرچه این رویکرد در عملکرد ساده است ، اما باعث ایجاد یک سری از مشکلات ، به ویژه در مرحله سیم کشی PCB می شود ، جایی که شناسایی و رسیدگی به سیمهای زمینی GND از عملکردهای مختلف مدار دشوار است.

با توجه به مسئله Crosstalk سیگنال ، هنگامی که GND های عملکردهای مختلف به طور مستقیم به هم وصل می شوند ، به خصوص هنگامی که GND یک مدار با قدرت بالا با GND یک مدار کم قدرت مخلوط می شود ، ممکن است در نقطه مرجع 0V تأثیر داشته باشدمدار کم مصرف.چنین روش سیم کشی به راحتی می تواند باعث عبور سیگنال بین مدارهای مختلف شود ، بنابراین بر عملکرد مدار تأثیر می گذارد.به عنوان مثال ، در یک سیستم حاوی مدارهای دیجیتال با سرعت بالا و مدارهای آنالوگ دقیق ، اگر همان GND به اشتراک گذاشته شود ، عملیات تعویض فرکانس بالا در مدارهای دیجیتال ممکن است باعث نوسانات ولتاژ قابل توجهی در مسیر GND مشترک شود.این نوسانات از طریق مسیر GND پخش می شود و بر عملکرد مدارهای آنالوگ تأثیر می گذارد.بنابراین ، استفاده از هواپیماهای جداگانه GND یا اثری برای کاهش این تداخل متقابل ایده آل است.

هنگام طراحی سیستم های مدار پیچیده تر ، مدیریت GND پیچیده تر می شود.به عنوان مثال ، در یک پروژه سیستم مدار که شامل زیر سیستم های آنالوگ و دیجیتال است ، هنگامی که AGND یک مدار آنالوگ به CGND از منبع تغذیه AC متصل می شود ، ممکن است پایداری AGND تحت تأثیر تغییرات دوره ای در CGND باشد.ولتاژ در CGND منبع تغذیه AC به صورت دوره ای نوسان می کند ، در حالی که GND زمین DC به طور کلی در 0 ولت ثابت است.این نوسان ممکن است به مدار آنالوگ پخش شود و باعث انحراف در ولتاژ مرجع شود.برای جلوگیری از این امر ، یک رویکرد مشترک استفاده از تکنیک های جداسازی یا استفاده از یک هواپیمای جداگانه AGND برای اطمینان از دقت و دقت سیگنال است.

سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) یک نکته مهم در طراحی مدار است و چیدمان GND همچنین تأثیر قابل توجهی در EMC دارد.هنگامی که GND های مدارهای مختلف به هم وصل می شوند ، مدار با سیگنال قوی تر ممکن است مستقیماً در مدار با سیگنال ضعیف تداخل داشته باشد.این تداخل ممکن است باعث شود که مدار با سیگنال ضعیف به منبعی از تابش الکترومغناطیسی از یک منبع خارجی قوی تر تبدیل شود و باعث می شود EMC از مدار دشوارتر شود.اگر نگران این نوع مشکل هستید ، تکنیک هایی مانند فیلتر ، محافظ و ترازهای اختصاصی GND را در طول طراحی در نظر بگیرید تا به حداقل رساندن وقوع چنین شرایط تداخل باشد.

فیلتر EMC

سرانجام ، هرچه ارتباطات سیگنال کمتری بین سیستم های مدار وجود داشته باشد ، توانایی آنها در کار مستقل بیشتر خواهد بود.در مقابل ، هرچه اتصالات سیگنال بیشتری وجود داشته باشد ، توانایی هر سیستم مدار به طور مستقل ضعیف تر است.اگر سیم های زمینی مدارها با عملکردهای مختلف به هم وصل شوند ، معادل اضافه کردن یک پیوند تداخل بالقوه بین مدارها است ، که ممکن است قابلیت اطمینان کلی مدار را کاهش دهد.به عنوان مثال ، در صورت عدم تقاطع بین دو سیستم مدار A و B ، عملکرد سیستم A بر عملکرد عادی سیستم B تأثیر نمی گذارد و بالعکس.اما اگر سیم های زمینی این سیستم ها مختلط باشند ، ممکن است تداخل غیر ضروری معرفی شود و بر پایداری و قابلیت اطمینان مدار تأثیر بگذارد.

به طور کلی ، نقش GND در طراحی مدار الکترونیکی بسیار فراتر از یک نقطه زمینی ساده است.از اطمینان از ایمنی اساسی الکتریکی تا اطمینان از عملکرد دقیق و پایدار مدارها ، اهمیت GND را نمی توان نادیده گرفت.این طبقه بندی های متعدد است و اصول کار پیچیده نیاز به مهندسین برای اتخاذ استراتژی های پیشرفته و متفکرانه هنگام طراحی و اجرای مدارها دارد.چه در لوازم الکتریکی معمولی در زندگی روزمره و چه محصولات با تکنولوژی بالا ، یک استراتژی زمینی معقول پایه و اساس دستیابی به محصولات الکترونیکی کارآمد ، قابل اعتماد و ایمن است.بنابراین ، برای هر پروژه ای که شامل مدارهای الکترونیکی باشد ، درک کامل از ویژگی ها و برنامه های GND برای یک طراحی موفق مهم است.