top of page
  • Olya Black

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.

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

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.

Базисная точка и цепь возврата тока –  это один и тот же узел, очень естественно и типично

Рисунок 2. Базисная точка и цепь возврата тока –

это один и тот же узел, очень естественно и типично



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

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.


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

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.


Заземляющий штырь. Подключите его к электропроводке дома и воткните в землю. Так вы получите заземление

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.



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

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