מה זה GND במעגל?

בחקירת מעגלים אלקטרוניים, הבינו את הרעיון של GND (קרקע) ואת תפקידיו המרובים בעיצוב המעגלים.GND, כאלמנט בסיסי במעגלים אלקטרוניים, לא רק מספק את נקודת הפוטנציאל ההתייחסות של המעגל, אלא גם ממלא תפקיד חשוב בביצועים, ביציבות ובבטיחות המעגל.החל מהגנת הבטיחות הבסיסית של מכשירי משק בית ועד יישומים מתקדמים בציוד אלקטרוני מורכב, התפקיד והיישום של GND מוצגים בהיבטים רבים ובמורכבותם.מאמר זה נועד לספק דיון מעמיק בסוגים השונים של GND, כיצד הם עובדים, וחשיבותם בעיצוב המעגלים כדי לספק נקודת מבט מקיפה על הבנת רכיב המעגל הקריטי הזה.

מה זה GND (קרקע)?

GND הוא הקיצור לקרקע.GND מייצג קרקע או 0 חוט.

קרקע יכולה להתייחס גם לכדור הארץ, שאינה קרקע אמיתית אלא קרקע מניחה למטרות בקשה.מחבר ציוד חשמלי לקרקע כדי למנוע את החשיפה של המשתמש למתחים גבוהים.

'שטחים' שונים במעגל

הארקה היא תכונת בטיחות ליבה של מערכות חשמל.מטרתה העיקרית היא להבטיח הפעלה בטוחה של ציוד חשמלי, במיוחד אלה עם גופי מתכת, כמו מקררים ביתיים, מכונות כביסה או תנורים.על ידי עיצוב, גוף המכשירים הללו לא אמור להיות חי.עם זאת, בשימוש בפועל, גוף המטוס עשוי להיות טעון בטעות בגלל תקלות פנימיות כמו הזדקנות או נזק לחומרי בידוד.אם הציוד אינו מקורקע, הגוף החי יגרום ישירות לסיכון להלם חשמלי בעת נגיעה בציוד.כדי למנוע זאת, חיבור גוף הציוד לקרקע באמצעות מוליך קרקע ייעודי מבטיח כי כל זרם מכוון לא נכון מופנה בבטחה לקרקע ולא דרך גוף האדם הנוגע לציוד.הרכב הארקת ציוד חשמלי מוצג באיור שלהלן.

הרכב הארקת ציוד חשמלי

ברמה הטכנית, הארקה מסתמכת בדרך כלל על חיבור פיזי לחוט קרקע או מוט קרקע.קצה אחד של חוטי הקרקע הללו מחובר לחלק מתכת של הציוד, והקצה השני מחובר למערכת ההארקה של הבניין או קבורה ישירות מתחת לאדמה.שיטת חיבור זו יוצרת למעשה מסלול בטוח כך שבמקרה של תקלה פנימית, כל זרם שהודלף מופנה למעשה לקרקע, ובכך נמנע מהסיכון להלם חשמלי.

בסביבות מסוימות בסיכון גבוה, בנוסף לתפקיד הבטיחות הבסיסי שלה, ניתן להשתמש בהארקה גם בשילוב עם מכשירי בטיחות אחרים, כגון מכשירי נוכחי דליפה (RCDs).הפונקציה של מכשירים אלה היא לפקח אם הזרם הזורם למכשיר ומחוצה לו מאוזן.אם מתגלה חוסר איזון (מה שמצביע על כך שהזרם עשוי לזרום בנתיבים לא תקינים אחרים, כמו גוף האדם), המכשיר ינתק מייד את הכוח כדי למנוע הלם חשמלי.

בציוד חשמלי מיוחד, הארקה ממלאת תפקיד מגוון יותר, כגון בציוד רפואי או ציוד מעבדה בעל דיוק גבוה, שם הוא משמש לא רק להגנה על כוח אדם אלא גם כדי להבטיח את הפעולה המדויקת של הציוד ולמניעת הפרעות אלקטרומגנטיותובמקרים כאלה, תכנון ויישום הארקה צריכים להיות מדויקים ומורכבים יותר כדי לעמוד בדרישות בטיחות ופונקציונליות ספציפיות.

GND ממלא תפקיד חשוב מאוד בתכנון מעגלים אלקטרוניים.ניתן לנתח את תפקידו לעומק מהממדים הטכניים הבאים:

האחת היא לספק פוטנציאל התייחסות.GND בדרך כלל מספק את נקודת הפוטנציאל הנפוצה של הפניה במעגל.כל המתחים במעגל נמדדים ביחס ל- GND, מה שאומר שנקודת ה- GND מוגדרת כנקודת המתח האפס.נקודת פוטנציאל התייחסות נפוצה מבטיחה רמות מתח נכונות בין רכיבי המעגל והעברת אות מדויקת.

השנייה היא היווצרות נתיבי לולאה זרם.בכל מעגל, על הזרם להיות בעל נתיב לולאה מלא להשגת פעולה נאותה.GND מספקת את הנתיב לזרם לזרם מאספקת החשמל לחלק העומס של המעגל (למשל, טרנזיסטור, נגד וכו ') ואז חזרה לאספקת החשמל דרך GND, ויוצרת נתיב לולאת זרם מלא.

השלישית היא מיגון הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).התפקיד החשוב ביותר של GND בעיצוב המעגלים הוא להפחית את הפרעות החיצוניות, במיוחד EMI.על ידי הארקה את החלק הרגיש של המעגל, ניתן לנתק ביעילות את האותות המפריעים, ובכך להגן על המעגל מפני EMI.

הרביעי הוא לשפר את הביצועים והיציבות של המעגל.תכנון הארקה טוב יכול לשפר משמעותית את הביצועים והיציבות הכוללת של המעגל.שימוש באסטרטגיית הארקה של קרקע כוכבים או ריבוי נקודות יכול למזער את ההבדלים הפוטנציאליים הנגרמים כתוצאה מחוטי קרקע, ובכך להפחית את הרעש והעיוות בנתיב האות.לדוגמה, במעגלים דיגיטליים במהירות גבוהה, שיטות הארקה נכונות יכולות להפחית את השתקפויות האות ואת התנפחות, ובכך לשפר את שלמות האות.

החמישית היא מנגנון הגנת האבטחה.במקרה של תנאי תקלה, כגון קצר חשמל או ציוד פגום, GND מספקת נתיב בטוח לפריקה של הזרם.זה עוזר במהירות לבלוט עודף זרם, למנוע שריפות חשמל או נזקי ציוד.בנוסף, הארקה מסייעת להבטיח את בטיחות המפעיל ומונעת את הסיכון להלם חשמלי עקב כישלון ציוד.

באמצעות הניתוח לעיל, אנו יכולים לראות כי GND הוא לא רק אלמנט בסיסי בתכנון מעגלים אלקטרוניים אלא גם המפתח לשמירה על ביצועי המעגלים, היציבות והבטיחות.בתהליך העיצוב, לסוגים שונים של מעגלים יש דרישות שונות ל- GND.לכן, על המהנדסים לשקול בזהירות את אסטרטגיית הארקה כדי להבטיח אופטימיזציה ובטיחות של תכנון המעגל.בין אם בעיצוב מעגלים פשוט או שילוב מערכות מורכב, אסטרטגיית הארקה סבירה היא הבסיס להשגת מוצרים אלקטרוניים יעילים, אמינים ובטוחים.

4.1 קרקע אנלוגית Agnd

קרקע אנלוגית AGND משמשת בעיקר במעגלים אנלוגיים, במיוחד ביישומים הכוללים אותות אנלוגיים חלשים, כמו מעגלי רכישת ADC ומעגלי מגבר תפעוליים.במעגלים כאלה, בגלל הרגישות והחולשה של אותות אנלוגיים, הם רגישים מאוד להפרעות זרם גדולות ממעגלים אחרים.ללא AGND ייעודי, זרמים גדולים אלה עשויים לייצר טיפות מתח משמעותיות במעגלים אנלוגיים, ולגרום לעיוות האות ואפילו כישלון במקרים במקרים חמורים.לפיכך, נוכחות AGND משמעותית לשמירה על שלמותה ודיוק האותות האנלוגיים.

4.2 קרקע דיגיטלית DGND

DGND קרקע דיגיטלית שונה מ- Analog Ground Agnd, במיוחד ביישומים במעגלים דיגיטליים, כמו מעגלי איתור מפתח, מעגלי תקשורת USB ומעגלי בקר מיקרו.מאפיין ליבה של מעגלים דיגיטליים הוא שהאותות שהם מעבדים הם בדידים, כלומר האות משתנה בין שתי מצבים בלבד, המזוהים בדרך כלל כ- "0" דיגיטלי ו"דיגיטלי "1." 1. "כפי שמוצג מטה.

עיבוד מעגלים דיגיטליים

מצבים אלה תואמים רמות מתח שונות, בדרך כלל "0" מייצג רמה נמוכה, ו- "1" מייצג רמה גבוהה.שינויים מהירים במתח מתרחשים כאשר מעגל דיגיטלי עובר ממצב "0" למצב "1" או להפך.שינויים אלה כוללים לא רק את המתח עצמו אלא גם את השינויים הנלווים לזרם.על פי התיאוריה האלקטרומגנטית של מקסוול, שינויים בזרם זה מייצרים שדה מגנטי משתנה סביבו, אשר בתורו יוצר הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), העלול לגרום להפרעה לרכיבים אחרים במעגל או למעגלים סמוכים.כדי להפחית את ההשפעה של הפרעה אלקטרומגנטית זו על הביצועים הכוללים של המעגל, מעצבים משתמשים בדרך כלל ב- DGND דיגיטלי עצמאי.בהשוואה לקרקע אנלוגית (AGND), DGND מיועד במיוחד למעגלים דיגיטליים כדי לספק נקודת ייחוס יציבה ולבודד ביעילות הפרעות אלקטרומגנטיות הנוצרות על ידי אותות דיגיטליים.זה עוזר להפחית את רמת הרעש הכוללת של המעגל, ובכך לשפר את שלמות האות ואת אמינות המעגלים.

במערכות מעגלים מורכבות, במיוחד אלה המכילות חלקים אנלוגיים ודיגיטליים כאחד, חשוב להבחין בין DGND ל- AGND.מכיוון שאותות אנלוגיים רגישים יותר לרעש, הפרדת DGND ו- AGND יכולה להבטיח שהחלק האנלוגי לא יושפע מהפרעות אלקטרומגנטיות הנגרמות על ידי מיתוג אות דיגיטלי.בתהליך התכנון והפריסה של לוח המעגלים (PCB), יש לקחת בחשבון בזהירות את מיקום ה- DGNDS כדי להימנע מלהקמת לולאות, מה שעלול לגרום להפרעות לולאה נוכחית.DGNDs ממוקמים כראוי עוזרים לייעל את שלמות האות ולהפחית הפרעות מקרינות ומנוהלות.

4.3 קרקע כוח PGND

בחיינו, מעגלים יחולקו למעגלים בעלי עוצמה נמוכה ומעגלים בעלי עוצמה גבוהה.הקרקע האנלוגית AGND או DGND דיגיטלי שהוזכרו לעיל הם מעגלים בעלי עוצמה נמוכה.עבור מעגלים בעלי עוצמה גבוהה אלה כמו מעגלי כונן מנוע, מעגלי כונן שסתום סולנואיד וכו ', יש גם קרקע התייחסות מיוחדת הנקראת Power Ground PGND.במעגלים בעלי עוצמה גבוהה, לגודל ובשונות הזרם יש השפעה בולטת יותר על מערכת הארקה מאשר במעגלים בעלי עוצמה נמוכה.לכן, בהשוואה ל- AGND הקרקע האנלוגית הנמוכה או ל- DGND הדיגיטלי, ניתן לומר כי ה- PGND של קרקע החשמל תוכנן במיוחד כדי לטפל בזרמים גבוהים אלה ולהבטיח יציבות מעגלים.

במעגלים בעלי עוצמה גבוהה אלה, העלייה המשמעותית בזרם יכולה בקלות לגרום לקזזת קרקע בין מעגלים פונקציונליים שונים.שינוי זה מתרחש כאשר נקודת ההתייחסות הקרקעית (GND) חווה ירידת מתח בגלל מעבר זרם גבוה.לדוגמה, נניח שמעגל מתוכנן הדורש מתח מיוצב של 5V, אך בגלל קיזוז באדמה.במקרה זה, נקודת ההתייחסות של GND עשויה לעלות מ- 0V ל- 1V, מה שיגרום למתח בפועל לרדת ל- 4V (5V-1V = 4V), ובכך להשפיע על הביצועים והאמינות הכוללים של המעגל.לכן, בעת תכנון מעגלים בעלי עוצמה גבוהה, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לפריסה ויישום PGND.תכנון PGND נכון יכול למזער את ההשפעות של קיזוז קרקע ולהבטיח את יציבות אספקת החשמל.נסה להשתמש בחוטים עבים יותר, שכבות הארקה ייעודיות, או לתכנן נקודות הארקה מרובות כדי לפזר את הזרם, ובכך צמצם את ירידת המתח בנקודה אחת.

בנוסף, PGND מסייע גם בהפחתת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) הנגרמות על ידי זרמים גבוהים.על ידי מתן הפניה קרקעית יציבה, PGND מסייע בהפחתת רעש והפרעות במעגלים, במיוחד ביישומים שבהם תאימות אלקטרומגנטית (EMC) היא שיקול מיוחד.

4.4 Power Ground GND

קרקע אנלוגית AGND, DGND קרקע דיגיטלית ו- POWER GRANG PGND כולם שייכים לקטגוריה של DC Ground GND.סוגים שונים של שטחים אלה מתאחדים בסופו של דבר ליצירת קרקע ההתייחסות 0V עבור כל המעגל, שהוא קרקע הכוח GND.המתח והזרם של כל המעגלים מקורם באספקת החשמל.לפיכך, ה- GND של אספקת החשמל הופך לבסיס ולנקודת המוצא של כל המעגלים.זה מסביר מדוע בסופו של דבר יש להפגיש סוגים שונים של עילות לאחד לקרקע הכוח כדי להבטיח את העקביות והיציבות הכללית של המעגל.

4.5 מקום חילופי CGND

קרקע AC CGND מופיעה בדרך כלל בפרויקטים של מעגלים המכילים מקורות כוח AC, כמו AC-DC באיור שלהלן.במעגלים אלה, מכיוון שהחלק הקדמי של המעגל הוא חלק AC והחלק האחורי מומר ל- DC, בהכרח נוצרים שתי נקודות קרקע שונות: האחת לחלק AC והשנייה עבור החלק DC.כדי להבטיח את עקביות המעגל, מהנדסים בדרך כלל מחברים בין שתי נקודות הקרקע דרך קבלים או משרן צימוד כדי לאחד את קרקע AC ואת קרקע ה- DC.

DC ו- AC

4.6 קרקע EGND

מתח בטיחות גוף האדם נחשב בדרך כלל למתח הנמוך מ- 36 וולט.כאשר המתח עולה על סף זה, הוא עלול לגרום נזק אם יוחל על גוף אנושי.לכן, בעת תכנון מעגלים בעלי מתח גבוה וזרם גבוה, מהנדסים מיישמים לעתים קרובות EGND כדי לשפר את הבטיחות.זה נפוץ במעגלים של מכשירי חשמל ביתיים כמו מעריצים, מקררים וטלוויזיות.בשקע עם הגנה על קרקע מוצגת באיור שלהלן.

שקע עם הגנה על קרקע

220V AC דורש רק חוטים חיים וניטרליים.מדוע יש לשקעי מכשירי משק בית 3 מסופים?

בדרך כלל אספקת חשמל של 220 וולט AC דורשת רק שני חוטים: חוט חם (חוט חם) וחוט ניטרלי (חוט ניטרלי).שקעים למכשירי משק בית כוללים בדרך כלל מסוף שלישי, חוט האדמה האדמה EGND.תוספת של טרמינל שלישי זה, למרות שהיא אינה משתתפת בתפקיד העיקרי של המעגל, מספקת הגנה על בטיחות קריטית.כאשר מתרחשת תקלה בתוך המכשיר החשמלי, כגון נזק לבידוד הגורם לחשמל לגוף, הוא מספק מסלול בריחה בטוח לזרם.בדרך זו, כל זרם מכוון לא נכון מופנה לקרקע ולא דרך גוף האדם הנוגע למכשיר, ומפחית מאוד את הסיכון להלם חשמלי.לכן, יש הבדל ברור במשמעות המעגל בין EGND לסוגים אחרים של חוטי קרקע GND.EGND אינו מעורב ישירות בפונקציה העיקרית של המעגל.הוא תוכנן באופן ספציפי כדי לשפר את הבטיחות, הוא מתחבר לכדור הארץ כדי לספק נקודת ייחוס קרקעית יציבה ומבצע חשמל בתנאים לא תקינים כדי להגן על ציוד ומשתמשים מפני מתחים גבוהים.

היישום של EGND בתכנון מעגלים אינו מוגבל למכשירי משק בית.EGND הוא אמצעי בטיחות הכרחי בכל תכנון מעגלים הכרוך במתח או זרם גבוה.זה עוזר להבטיח כי הבטיחות התפעולית נשמרת גם במקרה של כישלון ציוד או נסיבות חריגות אחרות.

בעיצוב מעגלים אלקטרוניים, הרעיון של GND של חוט קרקע נראה פשוט, אך הוא מכיל מגוון של פונקציות וסיווגים שונים, מה שהופך את בעיית המעגל הפשוטה לכאורה למורכבת למדי.אז מדוע יש כל כך הרבה מחלקות משנה של פונקציות הארקה של GND?באופן כללי, כאשר מהנדסים מעצבים מעגלים, הם לרוב קוראים לכל חוטי הקרקע של GND פשוט כ- GND ואינם מבדילים אותם בעיצוב הסכמטי.למרות שגישה זו פשוטה בפעולה, היא תגרום לסדרת בעיות, במיוחד בשלב החיווט של PCB, שם קשה לזהות ולטפל ביעילות בחוטי הקרקע של GND של פונקציות מעגלים שונות.

לגבי סוגיית המפנק של האות, כאשר GNDs עם פונקציות שונות מחוברים ישירות, במיוחד כאשר ה- GND של מעגל עוצמה גבוהה מעורבב עם ה- GND של מעגל כוח נמוך, יתכן שהוא משפיע על נקודת ההתייחסות 0V שלמעגל בעל עוצמה נמוכה.שיטת חיווט כזו יכולה בקלות לגרום למפגש איתות בין מעגלים שונים, ובכך להשפיע על ביצועי המעגל.לדוגמה, במערכת המכילה מעגלים דיגיטליים במהירות גבוהה ומעגלים אנלוגיים מדויקים, אם אותו GND משותף, פעולות מיתוג בתדר גבוה במעגלים הדיגיטליים עלולות לגרום לתנודות מתח משמעותיות בנתיב GND המשותף.תנודות אלה מתפשטות דרך נתיב ה- GND, ומשפיעות על הביצועים של מעגלים אנלוגיים.לכן אידיאלי להשתמש במטוסים או עקבות GND נפרדים כדי להפחית את ההפרעה ההדדית הזו.

בעת תכנון מערכות מעגלים מורכבות יותר, ניהול GND הופך מורכב יותר.לדוגמה, בפרויקט מערכת מעגלים הכולל מערכות משנה אנלוגיות ודיגיטליות כאחד, כאשר ה- AGND של מעגל אנלוגי מחובר ל- CGND של ספק כוח AC, יציבות ה- AGND עשויה להיות מושפעת משינויים תקופתיים ב- CGND.המתח ב- CGND של אספקת החשמל של AC משתנה מדי פעם, ואילו ה- DC Ground GND נותר בדרך כלל קבוע ב 0V.תנודה זו עשויה להתפשט למעגל האנלוגי, ולגרום לסטיות במתח ההתייחסות.כדי להימנע מכך, גישה נפוצה היא להשתמש בטכניקות בידוד או להשתמש במישור AGND נפרד כדי להבטיח דיוק ודיוק אות.

תאימות אלקטרומגנטית (EMC) היא שיקול חשוב בתכנון המעגלים, ולפריסה של ה- GND יש גם השפעה משמעותית על EMC.כאשר מחוברים ה- GND של מעגלים שונים, המעגל עם האות החזק יותר עשוי להפריע ישירות למעגל עם האות החלש יותר.הפרעה זו עלולה לגרום למעגל עם האות החלש יותר להפוך למקור לקרינה אלקטרומגנטית ממקור חיצוני חזק יותר, מה שמקשה על הטיפול ב- EMC במעגל.אם אתה מודאג מהבעיה מסוג זה, שקול טכניקות כמו סינון, מיגון ויישור GND ייעודי במהלך התכנון כדי למזער את התרחשותם של מצבי הפרעות כאלה.

מסנן EMC

לבסוף, ככל שפחות חיבורי אות בין מערכות מעגלים, כך יכולתם יכולת לפעול באופן עצמאי.נהפוך הוא, ככל שיש יותר חיבורי אות, כך יכולת היכולת של כל מערכת מעגלים לעבוד באופן עצמאי.אם מחוברים חוטי הקרקע של מעגלים עם פונקציות שונות, זה שווה להוסיף קישור הפרעה פוטנציאלי בין המעגלים, מה שעשוי להפחית את האמינות הכללית של המעגל.לדוגמה, אם אין צומת בין שתי מערכות מעגלים A ו- B, הפונקציונליות של מערכת A לא תשפיע על הפעולה הרגילה של מערכת B, ולהיפך.אך אם חוטי הקרקע של מערכות אלה מעורבבים, ניתן להכניס הפרעה מיותרת, המשפיעים על היציבות והאמינות של המעגל.

בסך הכל, תפקידו של GND בעיצוב מעגלים אלקטרוניים חורג הרבה מנקודת הארקה פשוטה.החל מהבטחת בטיחות חשמלית בסיסית וכלה בהבטחת הפעלה מדויקת ויציבה של מעגלים, לא ניתן להתעלם מחשיבות ה- GND.מדובר בסיווגים מרובים ועקרונות עבודה מורכבים מחייבים מהנדסים לאמץ אסטרטגיות מתוחכמות ומהורהרות בעת תכנון ויישום מעגלים.בין אם במכשירי חשמל רגילים בחיי היומיום או במוצרי טכנולוגיה מתקדמים, אסטרטגיית הארקה סבירה היא הבסיס להשגת מוצרים אלקטרוניים יעילים, אמינים ובטוחים.לכן, עבור כל פרויקט הכרוך במעגלים אלקטרוניים, הבנה מעמיקה של המאפיינים והיישומים של GND היא המפתח לעיצוב מוצלח.