Заземление в электронике


Заземление. Что это такое и как его сделать (часть 1) / Хабр

Мой рассказ будет состоять из трёх частей.

1 часть. Заземление
(общая информация, термины и определения)

2 часть. Традиционные способы строительства заземляющих устройств
(описание, расчёт, монтаж)

3 часть. Современные способы строительства заземляющих устройств
(описание, расчёт, монтаж)

В первой части (теория) я опишу терминологию, основные виды заземления (назначение) и предъявляемые к заземлению требования.
Во второй части (практика) будет рассказ про традиционные решения, применяемые при строительстве заземляющих устройств, с перечислением достоинств и недостатков этих решений.
Третья часть (практика) в некотором смысле продолжит вторую. В ней будет содержаться описание новых технологий, используемых при строительстве заземляющих устройств. Как и во второй части, с перечислением достоинств и недостатков этих технологий.

Если читатель обладает теоретическими знаниями и интересуется только практической реализацией — ему лучше пропустить первую часть и начать чтение со второй части.

Если читатель обладает необходимыми знаниями и хочет познакомиться только с новинками — лучше пропустить первые две части и сразу перейти к чтению третьей.

Мой взгляд на описанные методы и решения в какой-то степени однобокий. Прошу читателя понимать, что я не выдвигаю свой материал за всеобъемлющий объективный труд и выражаю в нём свою точку зрения, свой опыт.

Некоторая часть текста является компромиссом между точностью и желанием объяснить “человеческим языком”, поэтому допущены упрощения, могущие “резать слух” технически подкованного читателя.



1 часть. Заземление
В этой части я расскажу о терминологии, об основных видах заземления и о качественных характеристиках заземляющих устройств.
А. Термины и определения
Б. Назначение (виды) заземления
Б1. Рабочее (функциональное) заземление
Б2. Защитное заземление
Б2.1. Заземление в составе внешней молниезащиты
Б2.2. Заземление в составе системы защиты от перенапряжения (УЗИП)
Б2.3. Заземление в составе электросети
В. Качество заземления. Сопротивление заземления.
В1. Факторы, влияющие на качество заземления
В1.1. Площадь контакта заземлителя с грунтом
В1.2. Электрическое сопротивление грунта (удельное)
В2. Существующие нормы сопротивления заземления
В3. Расчёт сопротивления заземления
А. Термины и определения
Чтобы избежать путаницы и непонимания в дальнейшем рассказе — начну с этого пункта.
Я приведу установленные определения из действующего документа “Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ)” в последней редакции (глава 1.7 в редакции седьмого издания).
И попытаюсь “перевести” эти определения на “простой” язык.

Заземление — преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством (ПУЭ 1.7.28).
Грунт является средой, имеющей свойство “впитывать” в себя электрический ток. Также он являться некоторой “общей” точкой в электросхеме, относительно которой воспринимается сигнал.

Заземляющее устройство — совокупность заземлителя/ заземлителей и заземляющих проводников (ПУЭ 1.7.19).
Это устройство/ схема, состоящее из заземлителя и заземляющего проводника, соединяющего этот заземлитель с заземляемой частью сети, электроустановки или оборудования. Может быть распределенным, т.е. состоять из нескольких взаимно удаленных заземлителей.

На рисунке оно показано толстыми красными линиями:


Заземлитель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с грунтом (ПУЭ 1.7.15).

Проводящая часть — это металлический (токопроводящий) элемент/ электрод любого профиля и конструкции (штырь, труба, полоса, пластина, сетка, ведро :-) и т.п.), находящийся в грунте и через который в него “стекает” электрический ток от электроустановки.
Конфигурация заземлителя (количество, длина, расположение электродов) зависит от требований, предъявляемых к нему, и способности грунта “впитывать” в себя электрический ток идущий/ “стекающий” от электроустановки через эти электроды.

На рисунке он показан толстыми красными линиями:


Сопротивление заземления — отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю (ПУЭ 1.7.26).

Сопротивление заземления — основной показатель заземляющего устройства, определяющий его способность выполнять свои функции и определяющий его качество в целом.
Сопротивление заземления зависит от площади электрического контакта заземлителя (заземляющих электродов) с грунтом (“стекание” тока) и удельного электрического сопротивления грунта, в котором смонтирован этот заземлитель (“впитывание” тока).

Заземляющий электрод (электрод заземлителя) — проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с локальной землей (ГОСТ Р 50571.21-2000 п. 3.21)

Повторюсь: в качестве проводящей части может выступать металлический (токопроводящий) элемент любого профиля и конструкции (штырь, труба, полоса, пластина, сетка, ведро :-) и т.п.), находящийся в грунте и через который в него “стекает” электрический ток от электроустановки.

На рисунке они показаны толстыми красными линиями:


Далее определения, не встречающиеся или не описанные достаточно точно в стандартах и нормах, поэтому имеющие только мое описание.

Контур заземления — “народное” название заземлителя или заземляющего устройства, состоящего из нескольких заземляющих электродов (группы электродов), соединенных друг с другом и смонтированных вокруг объекта по его периметру/ контуру.

На рисунке объект обозначен серым квадратом в центре,
а контур заземления — толстыми красными линиями:


Удельное электрическое сопротивление грунта — параметр, определяющий собой уровень «электропроводности» грунта как проводника, то есть как хорошо будет растекаться в такой среде электрический ток от заземляющего электрода.
Это измеряемая величина, зависящая от состава грунта, размеров и плотности
прилегания друг к другу его частиц, влажности и температуры, концентрации в нем растворимых химических веществ (солей, кислотных и щелочных остатков).
Б. Назначение (виды) заземления
Заземление делится на два основных вида по выполняемой роли — на рабочее (функциональное) и защитное. Также в различных источниках приводятся дополнительные виды, такие как: “инструментальное”, “измерительное”, “контрольное”, “радио”.
Б1. Рабочее (функциональное) заземление
Это заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности) (ПУЭ 1.7.30).

Рабочее заземление (электрический контакт с грунтом) используется для нормального функционирования электроустановки или оборудования, т.е. для их работы в ОБЫЧНОМ режиме.

Б2. Защитное заземление
Это заземление, выполняемое в целях электробезопасности (ПУЭ 1.7.29).

Защитное заземление обеспечивает защиту электроустановки и оборудования, а также защиту людей от воздействия опасных напряжений и токов, могущих возникнуть при поломках, неправильной эксплуатации техники (т.е. в АВАРИЙНОМ режиме) и при разрядах молний.
Также защитное заземление используется для защиты аппаратуры от помех при коммутациях в питающей сети и интерфейсных цепях, а также от электромагнитных помех, наведенных от работающего рядом оборудования.

Подробнее защитное назначение заземления можно рассмотреть на двух примерах:

  • в составе внешней молниезащитной системы в виде заземленного молниеприёмника
  • в составе системы защиты от импульсного перенапряжения
  • в составе электросети объекта
Б2.1. Заземление в составе молниезащиты
Молния — это разряд или другими словами «пробой», возникающий ОТ облака К земле, при накоплении в облаке заряда критической величины (относительно земли). Примерами этого явления в меньших масштабах является “пробой” (wiki) в конденсаторе и газовый разряд (wiki) в лампе.

Воздух — это среда с очень большим сопротивлением (диэлектрик), но разряд преодолевает его, т.к. обладает большой мощностью. Путь разряда проходит по участкам наименьшего сопротивления, таким как капли воды в воздухе и деревья. Этим объясняется корнеобразная структура молнии в воздухе и частое попадание молнии в деревья и здания (они имеют меньшее сопротивление, чем воздух в этом промежутке).
При попадании в крышу здания, молния продолжает свой путь к земле, также выбирая участки с наименьшим сопротивлением: мокрые стены, провода, трубы, электроприборы — таким образом представляя опасность для человека и оборудования, находящихся в этом здании.


Молниезащита предназначена для отвода разряда молнии от защищаемого здания/ объекта. Разряд молнии, идущий по пути наименьшего сопротивления попадает в металлический молниеприёмник над объектом, затем по металлическим молниеотводам, расположенным снаружи объекта (например, на стенах), спускается до грунта, где и расходится в нём (напоминаю: грунт является средой, имеющей свойство “впитывать” в себя электрический ток).

Для того, чтобы сделать молниезащиту «привлекательной» для молнии, а также для исключения распространения молниевых токов от деталей молниезащиты (приёмник и отводы) внутрь объекта, её соединение с грунтом производится через заземлитель, имеющий низкое сопротивление заземления.

Заземление в такой системе является обязательным элементом, т.к. именно оно обеспечивает полный и быстрый переход молниевых токов в грунт, не допуская их распространение по объекту.

Б2.2. Заземление в составе системы защиты от импульсного перенапряжения (УЗИП)
УЗИП предназначено для защиты электронного оборудования от заряда, накопленного на каком-либо участке линии/сети в результате воздействия электромагнитного поля (ЭМП), наведенного от рядом стоящей мощной электроустановки (или высоковольтной линии) или ЭМП, возникшего при близком (до сотен метров) разряде молнии.

Ярким примером этого явления является накопление заряда на медном кабеле домовой сети или на “пробросе” между зданиями во время грозы. В какой-то момент приборы, подключенные к этому кабелю (сетевая карта компьютера или порт коммутатора), не выдерживают «размера» накопившегося заряда и происходит электрический пробой внутри этого прибора, разрушающий его (упрощенно).
Для “стравливания” накопившегося заряда параллельно “нагрузке” на линию перед оборудованием ставит УЗИП.


Классический УЗИП представляет собой газовый разрядник (wiki), рассчитанный на определенный «порог» заряда, который меньше “запаса прочности” защищаемого оборудования. Один из электродов этого разрядника заземляется, а другой — подключается к одному из проводов линии/ кабеля.

При достижении этого порога внутри разрядника возникает разряд :-) между электродами. В результате чего накопленный заряд сбрасывается в грунт (через заземление).

Как и в молниезащите — заземление в такой системе является обязательным элементом, т.к. именно оно обеспечивает своевременное и гарантированное возникновение разряда в УЗИПе, не допуская превышение заряда на линии выше безопасного для защищаемого оборудования уровня.

Б2.3. Заземление в составе электросети
Третий пример защитной роли заземления — это обеспечение безопасности человека и электрооборудования при поломках/ авариях.

Проще всего такая поломка описывается замыканием фазного провода электросети на корпус прибора (замыкание в блоке питания или замыкание в водонагревателе через водную среду). Человек, коснувшийся такого прибора, создаст дополнительную электрическую цепь, через которую побежит ток, вызывающий в теле повреждения внутренних органов — прежде всего нервной системы и сердца.

Для устранения таких последствий используется соединение корпусов с заземлителем (для отвода аварийных токов в грунт) и защитные автоматические устройства, за доли секунды отключающие ток при аварийной ситуации.

Например, заземление всех корпусов, шкафов и стоек телекоммуникационного оборудования.

В. Качество заземления. Сопротивление заземления.
Для корректного выполнения заземлением своих функций оно должно иметь определенные параметры/ характеристики. Одним из главных свойств, определяющих качество заземления, является сопротивление растеканию тока (сопротивление заземления), определяющее способность заземлителя (заземляющих электродов) передавать токи, поступающие на него от оборудования в грунт.
Это сопротивление имеет конечные значения и в идеальном случае представляет собой нулевую величину, что означает отсутствие какого-либо сопротивления при пропускании «вредных» токов (это гарантирует их ПОЛНОЕ поглощение грунтом).
В1. Факторы, влияющие на качество заземления
Сопротивление в основном зависит от двух условий:
  • площадь ( S ) электрического контакта заземлителя с грунтом
  • электрическое сопротивление ( R ) самого грунта, в котором находятся электроды

В1.1. Площадь контакта заземлителя с грунтом.
Чем больше будет площадь соприкосновения заземлителя с грунтом, тем больше площадь для перехода тока от этого заземлителя в грунт (тем более благоприятные условия создаются для перехода тока в грунт). Это можно сравнить с поведением автомобильного колеса на повороте. Узкая покрышка имеет небольшую площадь контакта с асфальтом и легко может начать скользить по нему, “отправив” автомобиль в занос. Широкая покрышка, да еще и немного спущенная, имеет много бОльшую площадь контакта с асфальтом, обеспечивая надежное сцепление с ним и, следовательно, надежный контроль за движением.(Пример оказался неграмотным. Спасибо SVlad — комментарий: habrahabr.ru/post/144464/#comment_4854521)

Увеличить площадь контакта заземлителя с грунтом можно либо увеличив количество электродов, соединив их вместе (сложив площади нескольких электродов), либо увеличив размер электродов. При применении вертикальных заземляющих электродов последний способ очень эффективен, если глубинные слои грунта имеют более низкое электрическое сопротивление, чем верхние.

В1.2. Электрическое сопротивление грунта (удельное)
Напомню: это величина, определяющая — как хорошо грунт проводит ток через себя. Чем меньшее сопротивление будет иметь грунт, тем эффективнее/ легче он будет “впитывать” в себя ток от заземлителя.

Примерами грунтов, хорошо проводящих ток, является солончаки или сильно увлажненная глина. Идеальная природная среда для пропускания тока — морская вода.
Примером “плохого” для заземления грунта является сухой песок.

(Если интересно, можно посмотреть таблицу величин удельного сопротивления грунтов, используемых в расчётах заземляющих устройств).

Возвращаясь к первому фактору и способу уменьшения сопротивления заземления в виде увеличения глубины электрода можно сказать, что на практике более чем в 70% случаев грунт на глубине более 5 метров имеет в разы меньшее удельное электрическое сопротивление, чем у поверхности, за счет большей влажности и плотности. Часто встречаются грунтовые воды, которые обеспечивают грунту очень низкое сопротивление. Заземление в таких случаях получается очень качественным и надежным.
В2. Существующие нормы сопротивления заземления
Так как идеала (нулевого сопротивления растеканию) достигнуть невозможно, все электрооборудование и электронные устройства создаются исходя из некоторых нормированных величин сопротивления заземления, например 0.5, 2, 4, 8, 10, 30 и более Ом.

Для ориентирования приведу следующие значения:

  • для подстанции с напряжением 110 кВ сопротивление растеканию токов должно быть не более 0,5 Ом (ПУЭ 1.7.90)
  • при подключении телекоммуникационного оборудования, заземление обычно должно иметь сопротивление не более 2 или 4 Ом
  • для уверенного срабатывания газовых разрядников в устройствах защиты воздушных линий связи (например, локальная сеть на основе медного кабеля или радиочастотный кабель) сопротивление заземления, к которому они (разрядники) подключаются должно быть не более 2 Ом. Встречаются экземпляры с требованием в 4 Ом.
  • у источника тока (например, трансформаторной подстанции) сопротивление заземления должно быть не более 4 Ом при линейном напряжении 380 В источника трехфазного тока или 220 В источника однофазного тока (ПУЭ 1.7.101)
  • у заземления, использующегося для подключения молниеприёмников, сопротивление должно быть не более 10 Ом (РД 34.21.122-87, п. 8)
  • для частных домов, с подключением к электросети 220 Вольт / 380 Вольт:
    • при использовании системы TN-C-S необходимо иметь локальное заземление с рекомендованным сопротивлением не более 30 Ом (ориентируюсь на ПУЭ 1.7.103)
    • при использовании системы TT (изолирование заземления от нейтрали источника тока) и применении устройства защитного отключения (УЗО) с током срабатывания 100 мА необходимо иметь локальное заземление с сопротивлением не более 500 Ом (ПУЭ 1.7.59)
В3. Расчёт сопротивления заземления
Для успешного проектирования заземляющего устройства, имеющего необходимое сопротивление заземления, применяются, как правило, типовые конфигурации заземлителя и базовые формулы для расчётов.

Конфигурация заземлителя обычно выбирается инженером на основании его опыта и возможности её (конфигурации) применения на конкретном объекте.

Выбор формул расчёта зависит от выбранной конфигурации заземлителя.
Сами формулы содержат в себе параметры этой конфигурации (например, количество заземляющих электродов, их длину, толщину) и параметры грунта конкретного объекта, где будет размещаться заземлитель. Например, для одиночного вертикального электрода эта формула будет такой:

Точность расчёта обычно невысока и зависит опять же от грунта — на практике расхождения практических результатов встречается в почти 100% случаев. Это происходит из-за его (грунта) большой неоднородности: он изменяется не только по глубине, но и по площади — образуя трёхмерную структуру. Имеющиеся формулы расчёта параметров заземления с трудом справляются с одномерной неоднородностью грунта, а расчёт в трёхмерной структуре сопряжен с огромными вычислительными мощностями и требует крайне высокую подготовку оператора.
Кроме того, для создания точной карты грунта необходимо произвести большой объем геологических работ (например, для площади 10*10 метров необходимо сделать и проанализировать около 100 шурфов длиной до 10 метров), что вызывает значительное увеличение стоимости проекта и чаще всего не возможно.

В свете вышесказанного почти всегда расчёт является обязательной, но ориентировочной мерой и обычно ведётся по принципу достижения сопротивления заземления “не более, чем”. В формулы подставляются усредненные значения удельного сопротивления грунта, либо их наибольшие величины. Это обеспечивает “запас прочности” и на практике выражается в заведомо более низких (ниже — значит лучше) значениях сопротивления заземления, чем ожидалось при проектировании.

Строительство заземлителей
При строительстве заземлителей чаще всего применяются вертикальные заземляющие электроды. Это связано с тем, что горизонтальные электроды трудно заглубить на большую глубину, а при малой глубине таких электродов — у них очень сильно увеличивается сопротивление заземления (ухудшение основной характеристики) в зимний период из-за замерзания верхнего слоя грунта, приводящее к большому увеличению его удельного электрического сопротивления.

В качества вертикальных электродов почти всегда выбирают стальные трубы, штыри/ стержни, уголки и т.п. стандартную прокатную продукцию, имеющую большую длину (более 1 метра) при сравнительно малых поперечных размерах. Этот выбор связан с возможностью легкого заглубления таких элементов в грунт в отличии, например, от плоского листа.

Подробнее о строительстве — в следующих частях.

Продолжение:


Алексей Рожанков, специалист технического центра "ZANDZ.ru"

При подготовке данной части использовались следующие материалы:

  • Публикации на сайте “Заземление на ZANDZ.ru”
  • Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ), часть 1.7 в редакции седьмого издания (гуглить)
  • ГОСТ Р 50571.21-2000 (МЭК 60364-5-548-96)
    Заземляющие устройства и системы уравнивания электрических потенциалов в электроустановках, содержащих оборудование обработки информации (гуглить)
  • Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87 (гуглить)
  • Собственный опыт и знания

Как заземление работает в электронике?

Немногие темы в электронике вызвали столько дезинформации и путаницы, как тема заземления. Цель этой статьи - прояснить, что такое заземление и почему оно так принципиально важно.

Земля для картофеля и моркови

Одна из причин, почему заземление может быть такой запутанной темой, заключается в чрезмерном злоупотреблении этим термином. В зависимости от контекста это может означать несколько разные, но связанные вещи.По этой причине некоторым инженерам не нравится этот термин, и они придумали фразы, подобные заголовку этого раздела. Чтобы понять заземление, давайте сначала определим обратные пути, когда мы поймем обратные пути, тогда будет легко понять заземление.

Рис. 1. Каждая функционирующая цепь представляет собой замкнутый контур, всегда должен быть обратный путь к источнику

На рисунке 1 показана очень простая схема. Как вы можете видеть, ток, покидающий батарею, проходит через резистор, через светодиод, а затем обратно к батарее.Для функционирования любой электрической цепи она должна быть замкнутой, всегда должен быть путь для возврата тока к источнику. Независимо от того, насколько сложной становится схема, всегда будет либо след (и), либо плоскость, которая служит в качестве обратного пути , для тока, чтобы вернуться к источнику.

Почти во всех цепях эти обратные пути все вместе называются «землей». Проблема состоит в том, что термин «земля» также используется для определения опорной точки для схемы.В большинстве случаев они совпадают (рисунок 2), и все ясно, но это не всегда так (рисунок 3). Контрольная точка необходима, поскольку абсолютного нулевого напряжения не существует. Когда вы измеряете напряжение, оно всегда относительно некоторого эталонного узла в вашей конструкции, и оно не обязательно должно быть на обратном пути. Фактически, с теоретической точки зрения любой узел в вашей схеме может быть опорным узлом, однако по причинам, которые мы рассмотрим позже, некоторые узлы лучше других.Я уверен, что вы начинаете понимать, как это может сбивать с толку, у нас есть один и тот же термин, относящийся к двум различным концепциям.

Рис. 2. Контрольная точка и обратный путь находятся на одном узле, что очень естественно и типично.

Рис. 3. Контрольная точка и обратный путь не совпадают, в сложных схемах может быть сбивающий с толку кошмар.

В сложных схемах у нас может быть много обратных путей, и некоторые из них иногда группируются в РАЗНЫЕ земли.Что это значит? В конце концов, вам может быть интересно, что несколько абзацев назад я сказал, что все пути возврата должны в конечном итоге вернуться к источнику, и здесь мы имеем то, что может показаться противоречием. Посмотрите на рисунок 4, и мы вместе разберемся с этим.

Рис. 4. Все подсхемы с разными заземлениями в конечном итоге возвращаются к источнику

Здесь, на Рисунке 4, вы можете наблюдать как минимум 3 различных основания. Есть аналоговая земля (AGND), цифровая земля (DGND) и общая земля (GND) [ Первое, что я хочу, чтобы вы знали, это то, что я создал эту схему для образовательных целей, вы не укажете обратный путь к источнику, используя толстые сети, как я сделал здесь.В нынешнем виде это не действительная схема EAGLE, я просто использую EAGLE для создания чертежа ]. Обратите внимание, что три разных заземления действительно возвращаются к источнику, так что это действительная схема. Однако зачем их разделять, если в конце концов они все равно вернутся к источнику? Быстрый ответ: сгруппировав обратные пути по трем землям, мы можем изолировать зашумленные токи в одной цепи от других. Например, токи, проходящие через схему AGND, проходят только через те компоненты, которые подключены к AGND.При такой разработке схем токи взаимодействуют друг с другом только в источнике. Используя наши предыдущие определения, мы можем видеть, что все обратные пути возвращаются к источнику, просто их расположение было тщательно разработано, чтобы обеспечить некоторую помехозащищенность между тремя цепями.

Земля, шасси и сигнальное заземление. Розы с разными названиями.

Вооружившись нашими новыми определениями, давайте проанализируем некоторые часто используемые «основания», и мы поймем, что все они работают одинаково.В контексте приложения они получают разные имена.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Земля (почва под нашими ногами, а не планета) считается бесконечным источником электронов и определяет точку отсчета для всей электропроводки в наших домах (см. Рисунок 5). На практике этот обратный путь «подключается» путем вбивания металлического стержня в землю и проверки того, что вся «заземляющая» проводка в наших домах надежно связана (соединена) с ней.

Рисунок 5. Заземляющий стержень, подключаемый к дому и вбитый в землю. Следовательно, земля земля.

ШАССИ НАЗЕМНОЕ

Этот тип заземления получил свое название, когда металлический корпус устройства определен как точка отсчета для электрической цепи. Это случай автомобиля (см. Рисунок 6), стиральной машины или любого другого устройства, имеющего электропроводящий корпус. Основная причина использования шасси шкафа и земли в качестве опорных точек связана с безопасностью.Наши тела почти всегда имеют потенциал земли (или почти что). Представьте на мгновение, что вы собираетесь стирать белье, внутри стиральной машины вся электроника подключена к шасси (заземление шасси), а шасси подключено к заземляющей вилке вашей розетки (заземление). Что произойдет, если линия высокого напряжения внутри стиральной машины замкнет на корпусе? Рисунок 7 дает ответ.

Рисунок 6. Отрицательный вывод аккумуляторной батареи, подключенной к шасси автомобиля. Определяет эталонный узел для всей электроники в вашем автомобиле.

Рис. 7. Когда земля и заземление шасси соединены, обратный путь тока избегает попадания в тело человека, обеспечивая вашу безопасность.

Как видите, если используются шасси и заземление, то обратный путь гарантированно исключает попадание человеческого тела в случае контакта с корпусом стиральной машины во время неисправности. Опять же, если мы подумаем с точки зрения обратных путей, вы увидите, что в этом примере заземление корпуса и заземление от обратного пути к источнику переменного тока.Это позволяет избежать разницы потенциалов между вашим телом и корпусом стиральной машины, которая может вызвать прохождение тока через ваше тело. Повторим сценарий, что будет, если по какой-то причине корпус стиральной машины не будет заземлен? Рисунок 8 показывает болезненный результат.

Рис. 8. Соединение с землей прервано, теперь вы являетесь частью обратного пути.

В этом сценарии вы не являетесь счастливым туристом, потому что соединение с землей было разорвано, есть только один жизнеспособный обратный путь для переменного тока, ВЫ.В этом случае, как только вы коснетесь корпуса стиральной машины, вы получите шок. Что еще хуже, часто тока недостаточно для отключения выключателя, и вы можете получить электрошок в течение длительного периода времени. Благодаря мудрому выбору опорных узлов обратные пути настраиваются таким образом, чтобы обеспечить вашу безопасность. Как вы уже поняли, наименование этих узлов «землей» затрудняет понимание того, как работают эти меры безопасности.

СИГНАЛЬНАЯ ЗЕМЛЯ

Это наиболее распространенное обозначение и в основном определение эталонного узла для схем на наших печатных платах.Обычно это физически реализуется с использованием заземляющей пластины, поэтому в нашей конструкции имеется обратный путь с низким импедансом к источнику питания (см. Рисунок 9). Это важно, иначе разные «земли» на плате могут иметь разные потенциалы (опорный узел не везде имеет одинаковое значение), и это может привести к неисправности схемы или просто к неработоспособности.

Рис. 9. Видите сплошной красный цвет на этой компоновке печатной платы? Это обратный путь медной плоскости (сигнальная земля) для всех ваших компонентов.

Вам действительно нужна земля?

Как мы узнали, каждая электрическая система нуждается по крайней мере в одном обратном пути к источнику, поэтому в этом смысле все цепи нуждаются в «заземлении». Как правило, это «земля» также будет использоваться в качестве опорного узла, против которого все напряжения в цепи может быть измерена. Однако не все цепи подключаются к линейному напряжению (то есть устройствам с батарейным питанием), поэтому не всем им потребуется заземление или, вернее, обратный путь через землю.Точно так же устройства в непроводящих корпусах не нуждаются в обратном пути корпуса для безопасности. Что нам нужно, так это иметь возможность называть эти пути как-то иначе, чтобы не путать их с землей, но это проблема, выходящая за рамки данной статьи.

Теперь, когда вы знаете, что такое каждый из этих типов «заземления», важно уметь распознать их на схеме, чтобы ваша электроника могла работать правильно и безопасно. Ниже вы найдете наиболее часто используемые символы для обозначения сигнала, шасси и заземления.Хотя это стандартные символы, вы можете столкнуться со схемой, которая от них отличается. Если это произойдет, обязательно проверьте. Это обеспечит вашу безопасность.

Мы надеемся, что эта статья помогла прояснить некоторую путаницу относительно того, что такое «земля». Термин загружается и в зависимости от контекста может относиться к пути возврата, ссылочному узлу или к обоим. Имейте в виду, что это только верхушка айсберга, о «основаниях» и о том, как следует реализовать обратные пути в различных приложениях, написаны целые книги.Возможно, вы захотите посетить недавний вебинар, который мы провели: Введение в целостность сигнала для проектирования печатных плат.

Теперь у вас есть основа для понимания этих книг и принятия правильных проектных решений в ваших схемах. Тщательно спроектировав пути возврата, вы можете свести к минимуму перекрестные помехи между различными частями вашей цепи и обезопасить пользователей ваших продуктов, что поможет вам спать по ночам. Получайте удовольствие от конструирования и помните, что земля предназначена для картофеля и моркови!

.

Что означает «заземление» в электронике

  1. Программирование
  2. Электроника
  3. Что означает «заземление» в электронике

Кэтлин Шэми. что земля может относиться либо к заземлению, либо к общему заземлению. Земля Земля означает примерно то, что говорит: это прямая связь с землей - реальной землей, веществом планеты.

Винт в центре стандартной двухконтактной розетки переменного тока, а также третий контакт в трехконтактной розетке заземлен. За каждой розеткой проложен провод, который проходит через ваш дом или офис и в конечном итоге подключается к металлической стойке, которая обеспечивает хороший контакт с землей.

Эта компоновка обеспечивает дополнительную защиту цепей, в которых используется большой ток; в случае короткого замыкания или другого опасного состояния, передача опасного тока непосредственно в землю дает ему безопасное место.Так было, когда громоотвод Бена Франклина обеспечивал прямой путь опасным молниям, проникающим в землю, а не через дом или человека.

В цепях, работающих с большими токами, какая-то точка в цепи обычно подключена к трубе или другому металлическому объекту, который подключен к заземлению. Если это соединение отсутствует, считается, что заземление - , плавающее, (или , плавающее, ), и цепь может быть опасной. Было бы разумно держаться подальше от такой цепи, пока она не будет надежно заземлена (или «заземлена», как говорят в Великобритании)!

Общая земля, или просто общая , это не физическая земля; скорее, это просто контрольная точка в цепи для измерения напряжения.Определенные типы цепей, особенно схемы, обычно используемые в компьютерах, помечают отрицательную клемму источника питания постоянного тока общим заземлением и подключают положительную клемму другого источника питания постоянного тока к той же точке. Таким образом, считается, что схема имеет как положительные, так и отрицательные источники питания. Два физические источники питания могут быть идентичными, но способ их подключений в цепи и точка вы выбираете для задания нулевого напряжения определяют, является ли напряжение питания положительным или отрицательным.Все относительно!

Об авторе книги

Кэтлин Шейми - инженер-электрик и технический писатель с обширным инженерным и консультационным опытом в области медицинской электроники, обработки речи и телекоммуникаций.

.

Какие существуют «основы» в электронном дизайне?

Термин «земля» - одно из наиболее часто используемых слов в электронике, а также один из наиболее часто используемых и неправильно понимаемых терминов. К счастью, во многих случаях неправильного использования инженеры, использующие его, знают, на что на самом деле ссылаются, и могут переводить его внутри, чтобы избежать негативных последствий.

Однако есть много ситуаций, когда неправильное или слишком случайное использование термина приводит к недопониманию.Кроме того, такое неаккуратное использование терминологии может также привести к небрежности в дизайне, поскольку существует множество типов «оснований», а некоторые на самом деле не являются основанием.

  • Что такое «Земля»?

Земля - ​​это исторически первая земля, которую использовали люди, связанные с электричеством (до того, как электроника знала о ее существовании). Это подключение цепи, системы, стойки, шасси или бытовой электропроводки переменного тока к земле через соединение с низким сопротивлением.Это часто, хотя и не исключительно, осуществляется через заземление трехпроводной вилки / розетки переменного тока, которая, в свою очередь, подключается к заземляющей конструкции стержней, вбитых в землю. Конкретная конфигурация стержней зависит от местного удельного сопротивления почвы и условий влажности, а также местных электрических норм. Правильный символ заземления показан на , рис. 1 .

Рис. 1: Символ заземления

  • Зачем использовать Землю в целях безопасности?

Опасные условия, которые могут повлиять на жизнь, возникают, когда избыточный ток течет через человека, и ток «управляется» достаточно высоким напряжением, таким как линия переменного тока.Следовательно, один из способов предотвратить это прохождение тока - это обеспечить альтернативный путь с гораздо меньшим сопротивлением; имейте в виду, что ток будет саморегулироваться, чтобы течь по пути с меньшим сопротивлением, который параллелен пути с более высоким сопротивлением.

Так как у человека сопротивление составляет от сотен до тысяч Ом, а сопротивление тракта Земля-земля порядка Ом или меньше. Если происходит короткое замыкание проводки и корпус становится горячим (электрифицированным), ток в линии переменного тока будет проходить через эту землю на землю, а не через человека.Земля действует как почти бесконечный источник и приемник нежелательных избыточных токов. Землю иногда называют защитной.

  • Все ли изделия с переменным током нуждаются в заземлении?

Нет, не все приборы и потребительские товары должны иметь безопасное заземление и трехжильный шнур. Многие электроинструменты и даже недорогие электроприборы, такие как фены, имеют двойную изоляцию, а это означает, что потребуется два или даже три внутренних отказа, чтобы их полностью изолированный пластиковый корпус стал «живым».Таким образом, различные коды не требуют заземления для этих продуктов. Это хорошо, так как многие трехпроводные соединения линии переменного тока имеют неисправное или несуществующее соединение с землей из-за неправильной установки, разрыва соединения или неправильного использования с более старыми розетками 3-проводного / 2-проводного адаптера.

  • Что такое заземление шасси?

Заземление корпуса означает именно это: металлическое шасси или корпус является общей точкой подключения для всех «заземлений» питания и сигналов в конструкции.В большинстве случаев для устройств, работающих от сети переменного тока, заземление шасси, , рис. 2 , должно быть подключено к заземлению в целях безопасности. Однако в некоторых конкретных случаях его нельзя подключать к заземлению из-за уникального применения или требований кода. Как и заземление, заземление шасси иногда называют защитным заземлением - еще один источник возможной путаницы.

Рис. 2: Символ заземления шасси

Поскольку многие из сегодняшних продуктов имеют неметаллические корпуса или корпуса, термин «заземление шасси» не следует рассматривать как соединение с заземлением в целях безопасности.Кроме того, многие линейные устройства и системы без переменного тока не имеют возможности подключения к заземлению (например, самолет или автомобиль), даже если они находятся в металлических корпусах. В этих случаях заземление шасси обычно является общей точкой подключения для всех так называемых заземлений в системе.

  • Какие еще заземления есть в цепи?

В типовой конструкции могут быть связанные с питанием заземления как для источника питания от сети переменного тока, так и для питания постоянного тока, независимо от того, получается ли этот постоянный ток из линии переменного тока или от батарей и связанных с ними регуляторов постоянного / постоянного тока.Есть также то, что часто называют основанием для различных аналоговых и цифровых функциональных блоков и сигналов внутри устройства.

Ни один из них не обязательно является «заземлением» в смысле наличия возможного соединения с землей. Гораздо лучший и более описательный термин для этих оснований - «обычный», представленный символом , рис. 3, . Если конструкция питается от сети переменного тока, общее соединение в конечном итоге подключается к заземлению шасси, а затем к заземлению в большинстве (но не во всех) случаях.

Рис. 3: Обозначение общего; если в цепи более одного общего, они выделяются числом в треугольнике.

Во многих дизайнах есть два, три или более общих. Может быть один общий для каждой подсистемы питания и по одному для различных цифровых подсистем и аналоговых подсистем; Фактически, нет ничего необычного в том, чтобы иметь несколько общих аналоговых и цифровых сторон. Как правило, все эти общие элементы должны быть соединены вместе в одной точке, называемой звездой, для обеспечения целостности сигнала и питания.Стандартная практика заключается в том, чтобы различать эти независимые сообщества, помещая числа в соответствующие треугольники.

  • Можно ли использовать заземление для РЧ сигналов?

Да, но обычно это плохой путь для РЧ сигналов. Причина в том, что хотя проводники к заземлению могут быть тяжелыми проводами и стержнями малого сечения (требующимися различными правилами безопасности) и, таким образом, иметь низкий импеданс для постоянного и низкочастотного переменного тока, они обычно имеют довольно высокие паразитные индуктивности и емкость. и, таким образом, имеют высокий импеданс для высокочастотных сигналов.Разработка и реализация хороших заземлений для радиочастотных сигналов - это искусство и искусство.

Учитывая все эти основания и общие интересы, как они должны быть связаны друг с другом? Это тема второй части этого FAQ.

.

Переменный ток в электронике: горячие, нейтральные и заземляющие провода

  1. Программирование
  2. Электроника
  3. Компоненты
  4. Переменный ток в электронике: горячие, нейтральные и заземляющие провода

Автор: Дуг Лоу

До Если вы начинаете работать с линейным напряжением в ваших электронных схемах, вам необходимо понимать некоторые детали того, как устроено большинство жилых и коммерческих зданий. Следующее описание относится только к США; если вы находитесь в другой стране, вам нужно будет определить стандарты электропроводки в вашей стране.

Стандартная разводка сетевого напряжения в США выполняется кабелями в пластиковой оболочке, которые обычно имеют три проводника. Этот тип кабеля технически называется кабелем NMB, , но большинство электриков называют его, используя его самую популярную торговую марку Romex.

Два проводника кабеля NMB покрыты пластиковой изоляцией (один белый, другой черный). Третий провод - неизолированная медь. Эти проводники имеют следующие обозначения:

  • Горячий: Черный провод - это горячий провод , который обеспечивает источник тока 120 В переменного тока.

  • Нейтраль: Белый провод называется нулевым проводом . Он обеспечивает обратный путь для тока, обеспечиваемого горячей проволокой. Нейтральный провод подсоединяется к заземлению.

  • Заземление: Оголенный провод называется проводом заземления . Как и нейтральный провод, заземляющий провод также подключен к заземлению. Однако нейтральный и заземляющий провода служат двум разным целям.

    Нейтральный провод вместе с горячим проводом составляет часть цепи под напряжением.Напротив, провод заземления подключается к любым металлическим частям в приборе, например, к микроволновой печи или кофейнику. Это мера безопасности на случай, если горячий или нейтральный провод каким-то образом соприкоснется с металлическими частями.

    Подключение металлических частей к заземлению исключает опасность поражения электрическим током в случае короткого замыкания.

Обратите внимание, что для некоторых цепей требуется четвертый провод. Когда используется четвертый провод, он покрыт красной изоляцией и также является горячим проводом.

Три провода в стандартном кабеле NMB подключены к трем выводам стандартной электрической розетки (правильное название - розетка ). Как вы можете видеть, нейтральный и горячий провода подключены к двум вертикальным контактам в верхней части розетки (нейтраль слева, горячий справа), а заземляющий провод подключен к круглому контакту в нижней части розетки. .

Вы можете вставить двух- или трехконтактную вилку в стандартную трехконтактную розетку.Двухконтактные вилки предназначены для приборов, не требующих заземления.

Большинство незаземленных приборов имеют двойную изоляцию , что означает, что между любыми проводами, находящимися под напряжением, и любыми металлическими частями внутри прибора существует два слоя изоляции. Первый слой - это изоляция на самом проводе; второй обычно выполнен в виде пластикового корпуса, изолирующего проводку под напряжением от других металлических частей.

Трехконтактные вилки предназначены для приборов, которым в целях безопасности требуется заземление.Для большинства приборов, в которых используется металлический корпус, требуется отдельное заземление.

Есть только один способ вставить вилку с тремя контактами в розетку с тремя контактами. Но обычные двухконтактные вилки, у которых нет заземляющего контакта, могут быть подключены к любому контакту на горячей стороне.

Чтобы этого не случилось, розетки имеют поляризацию , что означает, что нейтральный контакт шире, чем горячий контакт. Таким образом, есть только один способ вставить поляризованную вилку в поляризованную розетку.Таким образом, вы всегда можете отслеживать, какой провод горячий, а какой нейтральный.

Всегда размещайте переключатели или предохранители на горячем проводе, а не на нейтральном проводе. Таким образом, если переключатель разомкнут или предохранитель перегорел, ток в горячем проводе не сможет выйти за пределы переключателя или предохранителя в вашу цепь. Это сводит к минимуму любой риск поражения электрическим током, который может возникнуть, если в вашем проекте отсоединится провод.

Об авторе книги
У Дуга Лоу все еще есть набор для экспериментатора электроники, который дал ему отец, когда ему было 10.Хотя он стал программистом и написал книги по различным языкам программирования, Microsoft Office, веб-программированию и ПК (в том числе более 30 книг для чайников), Дуг никогда не забывал свою первую любовь: электронику.

.

Смотрите также