Как работает заземление электрических цепей?

Немногие темы в электронике так сильно вводят в заблуждение и вызывают столько путаницы, как тема заземления. Цель этой статьи – прояснить, что же такое заземление и почему оно так принципиально важно.

Земля для картошки и морковки

Одна из причин, по которой заземление - такая запутанная тема, может являться тот факт, что этим термином постоянно злоупотребляют. В зависимости от контекста оно может означать слегка разные, но связанные вещи. Это та причина, по которой некоторые инженеры не любят этот термин и используют сленговое слово из подзаголовка выше. Чтобы понять, что такое заземление, давайте вначале познакомимся с цепью возврата тока, а уже тогда затем мы легко разберемся и с заземлением.

Рисунок 1. Каждая рабочая электрическая цепь представляет собой замкнутый контур, в котором обязательно должен быть обратный путь источнику тока

На рисунке 1 показана очень простая цепь. Как вы можете видеть: ток вытекает из батареи, течет через резистор, через светодиод, а затем втекает обратно в батарею. Чтобы любая электрическая цепь работала, она должна быть замкнутой, в ней обязательно должен быть обратный путь, по которому ток может вернуться к источнику. Вне зависимости от того, насколько сложной становится схема, на печатной плате для нее всегда есть или дорожка (дорожки) или слой, которые выступают в роли пути возврата тока назад к источнику.

Практически во всех электрических схемах эти цепи возврата имеют общее название «земля». Проблема здесь заключается в том, что термин «земля» также используется для указания базисной точки схемы. В большинстве случаев земля и базисная точка совпадают (см. рисунок 2) и все понятно, но бывает и по-другому (см. рисунок 3). Базисная точка нужна потому, что в цепи нет такого напряжения, которое было бы равно нулю абсолютно. Напряжение всегда измеряется относительно того или иного базисного узла схемы. Напряжение, то есть разность потенциалов в ветви цепи возврата тока, не обязательно должно быть равно нулю. На самом деле, с теоретической точки зрения, любой узел в цепи может выступать в качестве базисного. Тем не менее, по тем или иным причинам, о которых мы поговорим позже, одни узлы лучше подходят для этого, чем другие. Мы уверены, вы уже начали догадываться, как все усложняется – один и тот же термин используется для определения двух разных понятий.

Рисунок 2. Базисная точка и цепь возврата тока –

это один и тот же узел, очень естественно и типично

Рисунок 3. Базисная точка и цепь возврата тока не совпадают, в сложных цепях это может превратиться в сущий кошмар

Сложные схемы могут содержать множество цепей возврата тока, и иногда некоторые из них могут подключаться РАЗНЫМ землям. Что это значит? Вам, наверное, интересно, как это может быть, ведь несколькими абзацами ранее мы говорили, что все цепи возврата тока в конце концов возвращают ток к источнику, и здесь, должно быть, есть какое-то противоречие. Взгляните на рисунок 4 – сейчас мы вместе разберемся в этом.

Рисунок 4. Различные участки схемы имеют разные земли, но все они в конце концов ведут к источнику тока

На рисунке 4 вы можете видеть, по крайней мере, три различные земли: аналоговая земля (AGND), цифровая земля (DGND) и общая земля (GND) (Хотим сразу оговориться – схема, приведенная выше, собрана в системе проектирования и приведена с целью наглядной демонстрации различных цепей возврата тока. Эта схема в действительности не рабочая).

Обратите внимание - три различные земли служат для возврата тока к источнику, в реальной цепи это допустимо. Тем не менее, зачем мы разделили землю, если в конце концов они все ведут к одному источнику? Быстрый ответ – во время проектирования печатной платы, сгруппировав цепи возврата тока и снабдив каждую группу своей землей, мы можем изолировать помехи от токов одних цепей от других. Например, токи в цепи, подключенной к земле AGND, протекают только через компоненты, подключенные к этой земле. В схемах такой конструкции токи разных цепей взаимодействуют друг с другом только у источника. Используя наши предыдущие определения, мы можем видеть, что все цепи возврата ведут к источнику, просто их расположение было тщательно спроектировано для того, чтобы обеспечить некую помехоустойчивость между тремя цепями.

Земля, шасси и сигнальное заземление - одни и те же яйца, только в профиль

Вооружившись новыми определениями, давайте проанализируем наиболее часто используемые «земли» и тогда мы поймем, что все они работают примерно одинаково, но в зависимости от конкретного применения их называют по-разному.

Заземление на землю

Земля (почва под ногами, а не планета) считается неисчерпаемым источником электронов и определяет базисную точку всей электропроводки в наших домах (см. рисунок 5). В практическом плане, эта цепь возврата тока «подключена» при помощи металлического штыря, воткнутого в землю, при этом необходимо удостовериться, что все провода, отмеченные как «заземление» устройств в наших домах, надежно подсоединены к нему.

Рисунок 5. Заземляющий штырь. Подключите его к электропроводке дома

и воткните в землю. Так вы получите заземление

Заземление на шасси

Так называют заземление, когда речь идет о металлическом корпусе устройства, который берут за базисную точку электрической цепи. Это может быть кузов автомобиля (см. рисунок 6), стиральной машины и любого другого устройства, которое имеет электропроводящий корпус. Одна из причин использования шасси корпуса и земли в качестве базисных точек – это безопасность. Наши тела почти всегда имеют потенциал такой же, как у земли (или почти такой же). Представьте на мгновение, что вы собираетесь постирать белье. Внутри вашей стиральной машины вся электроника подключена к шасси (заземление на шасси), а шасси подключены к заземляющему контакту сетевой розетки (заземление на землю). Что произойдет, если высокое сетевое напряжение в стиральной машине вдруг попадет за шасси? Ответ показан на рисунке 7.

Рисунок 6. Минусовая клемма аккумулятора подключена к корпусу автомобиля. Точка подключения определяет базисный узел всей электроники вашего автомобиля

Рисунок 7. Если заземление на землю и заземление шасси соединены вместе, то цепь возврата тока не проходит через человеческое тело, обеспечивая вашу безопасность

Как вы можете видеть, при использовании заземления на землю и заземления на шасси цепь возврата тока гарантированно не проходит через человеческое тело в случае касания корпуса неисправной стиральной машины. Опять же, если мы рассматриваем пути возврата тока, то можно увидеть, что в этом примере заземление на шасси и заземление на землю образуют путь к источнику переменного тока. Такое подключение помогает избежать разности потенциалов вашего тела и корпуса стиральной машины, которая может привести к возникновению электрического тока через ваше тело. Давайте повторим сценарий еще раз. Что произойдет, если по той или иной причине шасси стиральной машины в следствие ошибки проектирования не подключены к земле? На рисунке 8 показаны неприятные последствия этого.

Рисунок 8. Соединение с землей нарушено, вы стали частью цепи возврата тока

В этом сценарии вам уже не повезло, так как из-за того, что соединение с землей нарушено, единственная доступная цепь возврата переменного тока теперь ВЫ. В этом сценарии как только вы коснетесь корпуса стиральной машины, вы получаете удар электрическим током. Что еще хуже – как правило, сила тока недостаточна для срабатывания защитного автомата, и вы можете быть подвергнуты воздействию тока в течение долгого времени. Мудро выбрав базисные узлы, можно использовать цепи возврата тока так, чтобы они защищали вас. Как вы уже поняли, название этих узлов «земля» вносит путаницу в понимание, как работают меры по обеспечению безопасности.

Сигнальная земля

Это наиболее частое название и, по сути, определение базисного узла цепей на печатной плате. Как правило, сигнальная земля физически изготавливается на слое заземления, там, где ток возврата встречает малое сопротивление при возвращении к источнику тока (см. рисунок 9). Это важно, в противном случае различные «земли» на плате могут иметь разные потенциалы (потенциал базисного узла не везде одинаков), и это может стать причиной неисправности схемы или сказаться на ее сроке службы.

Рисунок 9. Видите сплошную область красного цвета на этом чертеже печатной платы? Это проводящий слой цепи возврата тока (сигнальная земля) всех ее компонентов

Действительно ли вам нужна земля?

Как мы уже узнали, каждой электрической схеме нужна хотя бы одна цепь возврата тока к источнику, в этом смысле всем схемам нужна «земля». Обычно, эта «земля» также выступает в качестве базисного узла, относительно которого могут быть измерены все напряжения, присутствующие в схеме. Тем не менее, не все цепи подключаются к сети питания (например, устройства с питанием от батарей), поэтому им не нужно «заземление на землю», или, если точнее, цепь возврата тока через землю. Подобно им, устройствам в корпусах из неэлектропроводящих материалов также не нужна цепь возврата тока через шасси для обеспечения безопасности. Что им нужно – это лишь иметь возможность как-то по другому назвать цепь возврата тока, чтобы избежать путаницы с заземлением, однако эта проблема выходит за рамки данной статьи.

Теперь вы знаете о каждом из этих типов «земли». Важно также уметь узнавать их на схеме, чтобы ваши электронные устройства могли работать правильно и безопасно. Ниже вы найдете наиболее часто используемые обозначения сигнальной земли, заземления на шасси и заземления на землю. Поскольку это стандартные символы, вы можете также столкнуться со схемами, в которых символы будут другими. Если это произошло, обязательно проверьте их значения - это поможет обеспечить вашу безопасность.

Мы надеемся, что эта статья помогла прояснить некоторую путаницу в том, что такое «земля». Термин многозначный и, в зависимости от контекста, может означать цепь возврата тока, базисный узел или и то, и другое. Помните, что это лишь вершина айсберга. О «землях» написаны целые книги, и о том, как следует организовывать цепи возврата сигнала в различных устройствах.

Теперь у вас есть базис для понимания этих книг, а также принятия правильных конструктивных решений при разработке собственных схем. Тщательно продумывая пути возврата сигнала, вы можете минимизировать перекрестные помехи различных участков цепи и сделать эксплуатацию вашего изделия безопасным, что поможет вам хорошо спать по ночам. Получайте удовольствие от разработки схем и помните, что земля – для картошки и морковки!