Hvad er GND i kredsløbet?

For at udforske elektroniske kredsløb skal du forstå begrebet GND (jord) og dets flere roller i kredsløbsdesign.GND, som et grundlæggende element i elektroniske kredsløb, giver ikke kun kredsløbets referencepotentiale, men spiller også en vigtig rolle i kredsløbets ydelse, stabilitet og sikkerhed.Fra den grundlæggende sikkerhedsbeskyttelse af husholdningsapparater til avancerede applikationer i komplekst elektronisk udstyr præsenteres rollen og implementeringen af GND i mange aspekter og deres kompleksitet.Denne artikel sigter mod at give en dybdegående diskussion af de forskellige typer GND, hvordan de fungerer, og deres betydning i kredsløbsdesign for at give et omfattende perspektiv på at forstå denne kritiske kredsløbskomponent.

Hvad er GND (jord)?

GND er forkortelsen for jorden.GND står for jorden eller 0 ledning.

Jorden kan også henvise til Jorden, som ikke er en sand grund, men en antaget grund til anvendelse.Forbinder elektrisk udstyr til jorden for at forhindre, at brugeren udsættes for høje spændinger.

Forskellige 'grunde' i kredsløbet

Jordning er en kernesikkerhedsfunktion i elektriske systemer.Dets hovedformål er at sikre en sikker drift af elektrisk udstyr, især dem med metallegemer, såsom husholdningskøleskabe, vaskemaskiner eller ovne.Ved design skal kroppen af disse enheder ikke være live.Imidlertid kan skroget imidlertid ved et uheld opkræves på grund af interne fejl, såsom aldring eller skade på isoleringsmaterialer.Hvis udstyret ikke er jordet, vil den levende krop direkte forårsage risikoen for elektrisk stød, når du rører ved udstyret.For at forhindre dette sikrer tilslutning af udstyrsorganet til jorden via en dedikeret jordleder, at enhver forkert styret strøm sikkert ledes til jorden snarere end gennem den menneskelige krop, der berører udstyret.Sammensætningen af jordforbindelse af elektrisk udstyr er vist på figuren herunder.

Sammensætningen af jordforbindelse med elektrisk udstyr

På et teknisk niveau er jordforbindelse typisk afhængig af en fysisk forbindelse til en jordtråd eller jordstang.Den ene ende af disse jordledninger er forbundet til en metaldel af udstyret, og den anden ende er forbundet til bygningens jordforbindelsessystem eller begraves direkte under jorden.Denne forbindelsesmetode skaber effektivt en sikker sti, så i tilfælde af en intern fejl ledes enhver lækket strøm effektivt til jorden og undgår således risikoen for elektrisk stød.

I nogle miljøer med høj risiko kan der ud over dens grundlæggende sikkerhedsrolle også bruges i forbindelse med andre sikkerhedsanordninger, såsom lækage af aktuelle enheder (RCD'er).Funktionen af disse enheder er at overvåge, om den aktuelle strømning ind og ud af enheden er afbalanceret.Hvis der opdages en ubalance (indikerer, at strømmen muligvis flyder gennem andre unormale stier, såsom den menneskelige krop), vil enheden straks afskære kraften for at forhindre elektrisk stød.

I specielt elektrisk udstyr spiller jordforbindelse en mere varieret rolle, f.eks.I sådanne tilfælde skal design og implementering af jording være mere præcis og kompleks for at imødekomme specifikke sikkerheds- og funktionelle krav.

GND spiller en meget vigtig rolle i elektronisk kredsløbsdesign.Dens rolle kan analyseres i dybden fra følgende tekniske dimensioner:

Den ene er at give et referencepotentiale.GND giver normalt det fælles referencepotentialepunkt i et kredsløb.Alle spændinger i et kredsløb måles i forhold til GND, hvilket betyder, at GND -punktet er defineret som nulspændingspunktet.Et almindeligt referencepotentialpunkt sikrer korrekte spændingsniveauer mellem kredsløbskomponenter og nøjagtig signaloverførsel.

Den anden er dannelsen af aktuelle loopstier.I ethvert kredsløb skal strømmen have en komplet loop -sti for at opnå korrekt drift.GND tilvejebringer stien til strøm til at strømme fra strømforsyningen til belastningsdelen af kredsløbet (f.eks. Transistor, modstand osv.) Og derefter tilbage til strømforsyningen gennem GND, der danner en komplet strømsløjfe -sti.

Den tredje er elektromagnetisk interferens (EMI) afskærmning.Den vigtigste rolle af GND i kredsløbsdesign er at reducere ekstern interferens, især EMI.Ved at jordes den følsomme del af kredsløbet kan de interfererende signaler effektivt blive shuntet til jorden og dermed beskytte kredsløbet mod EMI.

Den fjerde er at forbedre kredsløbets ydelse og stabilitet.Et godt jordforbindelsesdesign kan forbedre kredsløbets samlede ydelse og stabilitet markant.Brug af en stjernebane eller flerpunkts jordforbindelse kan minimere de potentielle forskelle forårsaget af jordledninger og derved reducere støj og forvrængning i signalstien.For eksempel i højhastigheds digitale kredsløb kan korrekte jordingsmetoder reducere signalrefleksioner og krydstale og derved forbedre signalintegriteten.

Den femte er sikkerhedsbeskyttelsesmekanismen.I tilfælde af en fejltilstand, såsom en kortslutning eller beskadiget udstyr, giver GND en sikker sti for strømmen til at udskrive.Dette hjælper hurtigt med at shunse overskydende strøm, hvilket forhindrer elektriske brande eller udstyrsskader.Derudover hjælper jordforbindelse med at sikre operatørsikkerhed og forhindrer risikoen for elektrisk stød på grund af udstyrssvigt.

Gennem ovenstående analyse kan vi se, at GND ikke kun er et grundlæggende element i elektronisk kredsløbsdesign, men også nøglen til at opretholde kredsløbsydelse, stabilitet og sikkerhed.Under designprocessen har forskellige typer kredsløb forskellige krav til GND.Derfor skal ingeniører nøje overveje jordingsstrategien for at sikre optimering og sikkerhed for kredsløbsdesignet.Uanset om det er i enkel kredsløbsdesign eller kompleks systemintegration, er en rimelig jordingsstrategi grundlaget for at opnå effektive, pålidelige og sikre elektroniske produkter.

4.1 Analog jorden agnd

Analog jord -agnd bruges hovedsageligt i analoge kredsløb, især i applikationer, der involverer svage analoge signaler, såsom ADC -erhvervelseskredsløb og operationelle forstærkerkredsløb.På grund af sådanne kredsløb er de på grund af følsomheden og svagheden ved analoge signaler ekstremt modtagelige for stor strømforstyrrelser fra andre kredsløb.Uden en dedikeret agnd kan disse store strømme muligvis producere betydelige spændingsfald i analoge kredsløb, hvilket forårsager signalforvrængning og endda kredsløbssvigt i alvorlige tilfælde.Derfor er tilstedeværelsen af AGND signifikant for at bevare integriteten og nøjagtigheden af analoge signaler.

4.2 Digital Ground DGND

Digital jord DGND er forskellig fra analog jord -agnd, især i applikationer i digitale kredsløb, såsom nøgledetektionskredsløb, USB -kommunikationskredsløb og mikrokontrollerkredsløb.Et kerneegenskab ved digitale kredsløb er, at de signaler, de behandler, er diskrete, hvilket betyder, at signalet ændrer sig mellem kun to tilstande, normalt identificeret som en digital "0" og en digital "1."Som vist nedenfor.

Digital Circuit Processing

Disse tilstande svarer til forskellige spændingsniveauer, normalt "0" repræsenterer et lavt niveau, og "1" repræsenterer et højt niveau.Hurtige ændringer i spænding opstår, når et digitalt kredsløb skifter fra en "0" -tilstand til en "1" tilstand eller vice versa.Disse ændringer involverer ikke kun spændingen, men også de ledsagende ændringer i strøm.I henhold til Maxwells elektromagnetiske teori genererer ændringer i denne strøm et skiftende magnetfelt omkring det, hvilket igen skaber elektromagnetisk interferens (EMI), hvilket kan forårsage interferens til andre komponenter i kredsløbet eller til tilstødende kredsløb.For at reducere virkningen af denne elektromagnetiske interferens på kredsløbets samlede ydelse bruger designere normalt en uafhængig digital jord DGND.Sammenlignet med Analog Ground (AGND) er DGND specielt designet til digitale kredsløb til at tilvejebringe et stabilt referencepunkt og effektivt isolere elektromagnetisk interferens genereret af digitale signaler.Dette hjælper med at reducere det samlede støjniveau i kredsløbet og derved forbedre signalintegritet og kredsløbsikkerhed.

I komplekse kredsløbssystemer, især dem, der indeholder både analoge og digitale dele, er det vigtigt at skelne mellem DGND og AGND.Da analoge signaler er mere følsomme over for støj, kan det at adskille DGND og AGND sikre, at den analoge del ikke påvirkes af elektromagnetisk interferens forårsaget af digital signalskift.Under Circuit Board (PCB) design- og layoutproces skal placeringen af DGND'er overvejes omhyggeligt for at undgå at danne sløjfer, hvilket kan forårsage den aktuelle sløjfeinterferens.Korrekt placerede DGND'er hjælper med at optimere signalintegriteten og reducere udstrålet og udført interferens.

4.3 Power Ground PGND

I vores liv vil kredsløb blive opdelt i kredsløb med lav effekt og højeffektkredsløb.Den analoge jord-agnd eller digitale jord DGND nævnt ovenfor er lav effekt kredsløb.For disse højeffektkredsløb, såsom motordrevkredsløb, magnetventilventildrevskredsløb osv., Er der også en speciel referencegrund kaldet Power Ground PGND.I højeffektkredsløb har størrelsen og variationen af strømmen en mere markant effekt på jordforbindelsessystemet end i lav effekt kredsløb.Sammenlignet med den lave effekt analoge jord-agnd eller den digitale jord DGND kan det siges, at Power Ground PGND er specielt designet til at håndtere disse høje strømme og sikre kredsløbsstabilitet.

I disse højeffektkredsløb kan den signifikante stigning i strøm let resultere i jordforskydning mellem forskellige funktionelle kredsløb.Dette skift opstår, når Ground Reference Point (GND) oplever et spændingsfald på grund af høj strømovergang.Antag for eksempel, at et kredsløb er designet, der kræver en stabiliseret spænding på 5V, men på grund af en forskydning i jorden.I dette tilfælde kan GND-referencepunktet stige fra 0V til 1V, hvilket vil få den faktiske spænding til at falde til 4V (5V-1V = 4V), hvilket påvirker kredsløbets samlede ydelse og pålidelighed.Derfor, når man designer højeffektkredsløb, skal der lægges særlig vægt på layout og implementering af PGND.Korrekt PGND -design kan minimere virkningerne af jordforskydning og sikre stabiliteten af strømforsyningen.Prøv at bruge tykkere ledninger, dedikerede jordforbindelseslag eller designe flere jordforbindelsespunkter for at sprede strømmen, hvilket reducerer spændingsfaldet på et enkelt punkt.

Derudover hjælper PGND også med at reducere elektromagnetisk interferens (EMI) forårsaget af høje strømme.Ved at tilvejebringe en stabil jordreference hjælper PGND med at reducere støj og interferens i kredsløb, især i applikationer, hvor elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) er en særlig overvejelse.

4.4 Power Ground GND

Analog jorden agnd, digital jord DGND og Power Ground PGND hører alle til kategorien DC -jorden GND.Disse forskellige typer grunde mødes til sidst for at danne 0V -referencegrunden for hele kredsløbet, som er Power Ground GND.Spændingen og strømmen for alle kredsløb stammer fra strømforsyningen.Derfor bliver strømforsyningens GND fundamentet og udgangspunktet for alle kredsløb.Dette forklarer, hvorfor forskellige typer grunde i sidste ende skal samles til den magt, der er GND for at sikre kredsløbets samlede konsistens og stabilitet.

4.5 Exchange Place CGND

AC-jord CGND vises normalt i kredsløbsprojekter, der indeholder vekselstrømskilder, såsom AC-DC i figuren herunder.I disse kredsløb, da den forreste del af kredsløbet er vekselstrømsdelen, og den bageste del konverteres til DC, dannes to forskellige jordpunkter uundgåeligt: den ene til AC -delen og den anden for DC -delen.For at sikre konsistensen af kredsløbet forbinder ingeniører normalt de to jordpunkter gennem en koblingskondensator eller induktor for at forene AC -jord og DC -jord.

DC og AC

4.6 Jord EGND

Human kropssikkerhedsspænding betragtes generelt som en spænding, der er lavere end 36V.Når spænding overstiger denne tærskel, kan det forårsage skade, hvis den påføres en menneskelig krop.Derfor, når man designer højspændings- og højstrømkredsløb, implementerer ingeniører ofte EGND for at forbedre sikkerheden.Dette er almindeligt i kredsløb af husholdningsapparater som fans, køleskabe og fjernsyn.En stikkontakt med jord -EGND -beskyttelse er vist i figuren herunder.

Socket med jord EGND -beskyttelse

220V AC kræver kun levende og neutrale ledninger.Hvorfor har husholdningsapparatstik 3 terminaler?

Normalt kræver en 220V AC -strømforsyning kun to ledninger: en varm ledning (varm ledning) og en neutral ledning (neutral ledning).Sockets til husholdningsapparater inkluderer normalt en tredje terminal, Earth Ground Wire EGND.Tilføjelsen af denne tredje terminal, selv om den ikke deltager i kredsløbets hovedfunktion, giver kritisk sikkerhedsbeskyttelse.Når der opstår en fejl inde i det elektriske apparat, såsom isoleringsskade, der får kroppen til at blive elektrificeret, giver den en sikker flugtvej for strøm.På denne måde ledes enhver forkert styret strøm til jorden snarere end gennem den menneskelige krop, der berører enheden, hvilket i høj grad reducerer risikoen for elektrisk stød.Derfor er der en klar forskel i kredsløbsbetydning mellem EGND og andre typer jordledninger GND.EGND er ikke direkte involveret i hovedfunktionen af kredsløbet.Specielt designet til at forbedre sikkerheden forbindes det til Jorden for at tilvejebringe et stabilt jordreferencepunkt og leder elektricitet under unormale forhold for at beskytte udstyr og brugere mod høje spændinger.

Anvendelsen af EGND i kredsløbsdesign er ikke begrænset til husholdningsapparater.EGND er en nødvendig sikkerhedsforanstaltning i ethvert kredsløbsdesign, der involverer høj spænding eller strøm.Det hjælper med at sikre, at operationel sikkerhed opretholdes, selv i tilfælde af udstyrssvigt eller andre usædvanlige omstændigheder.

I elektronisk kredsløbsdesign synes begrebet GND -jordtråd enkelt, men det indeholder en række forskellige funktioner og klassifikationer, hvilket gør et tilsyneladende simpelt kredsløbsproblem ganske kompliceret.Så hvorfor er der så mange underafdelinger af GND -jordforbindelsesfunktioner?Generelt set, når ingeniører designer kredsløb, navngiver de ofte alle GND -jordledninger simpelthen som GND og ikke skelner dem i det skematiske design.Selvom denne fremgangsmåde er enkel i drift, vil den forårsage en række problemer, især i PCB -ledningsstadiet, hvor det er vanskeligt at identificere og håndtere GND -jordledene i forskellige kredsløbsfunktioner.

Med hensyn til spørgsmålet om signal krydstale, når GND'er af forskellige funktioner er direkte tilsluttet, især når GND for et højeffektkredsløb blandes med GND for et lavt effektkredsløb, kan det have indflydelse på 0V-referencepunktet for detlav effekt kredsløb.En sådan ledningsmetode kan let forårsage signalovergang mellem forskellige kredsløb, hvilket påvirker kredsløbets ydelse.F.eks. I et system, der indeholder højhastigheds digitale kredsløb og præcisionsanaloge kredsløb, kan den samme GND deles, højfrekvente skiftende operationer i de digitale kredsløb, der kan forårsage betydelige spændingsudsving på den delte GND-sti.Disse udsving forplantes gennem GND -stien, hvilket påvirker ydelsen af analoge kredsløb.Derfor er det ideelt at bruge separate GND -fly eller spor for at reducere denne gensidige interferens.

Når man designer mere komplekse kredsløbssystemer, bliver styringen af GND mere kompleks.For eksempel i et kredsløbssystemprojekt, der inkluderer både analoge og digitale delsystemer, når agnd af et analogt kredsløb er forbundet til CGND for en vekselstrømsforsyning, kan stabiliteten af agnd blive påvirket af periodiske ændringer i CGND.Spændingen ved CGND for AC -strømforsyningen svinges med jævne mellemrum, mens DC -malet GND generelt forbliver konstant ved 0V.Denne udsving kan forplantes til det analoge kredsløb, hvilket forårsager afvigelser i referencespændingen.For at undgå dette er en almindelig tilgang at bruge isoleringsteknikker eller at bruge et separat AGND -plan for at sikre signalpræcision og nøjagtighed.

Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) er en vigtig overvejelse i kredsløbsdesign, og layoutet af GND har også en betydelig indflydelse på EMC.Når GND'erne for forskellige kredsløb er tilsluttet, kan kredsløbet med det stærkere signal direkte forstyrre kredsløbet med det svagere signal.Denne interferens kan forårsage, at kredsløbet med det svagere signal bliver en kilde til elektromagnetisk stråling fra en stærkere ekstern kilde, hvilket gør EMC -håndtering af kredsløbet vanskeligere.Hvis du er bekymret for denne type problem, skal du overveje teknikker som filtrering, afskærmning og dedikerede GND -justeringer under design for at minimere forekomsten af sådanne interferenssituationer.

EMC -filter

Endelig, jo færre signalforbindelser mellem kredsløbssystemer er, jo større er deres evne til at operere uafhængigt.Tværtimod, jo flere signalforbindelser der er, jo svagere evnen for hvert kredsløbssystem til at arbejde uafhængigt.Hvis jordledene på kredsløb med forskellige funktioner er forbundet, svarer det til at tilføje en potentiel interferensforbindelse mellem kredsløbene, hvilket kan reducere kredsløbets samlede pålidelighed.For eksempel, hvis der ikke er noget skæringspunkt mellem to kredsløbssystemer A og B, vil funktionaliteten af system A ikke påvirke den normale drift af system B, og vice versa.Men hvis jordledene på disse systemer er blandet, kan unødvendig interferens indføres, hvilket påvirker kredsløbets stabilitet og pålidelighed.

Generelt går GND's rolle i elektronisk kredsløbsdesign langt ud over et enkelt jordforbindelse.Fra at sikre grundlæggende elektrisk sikkerhed til at sikre nøjagtig og stabil drift af kredsløb, kan vigtigheden af GND ikke ignoreres.Det er flere klassifikationer og komplekse arbejdsprincipper kræver, at ingeniører vedtager sofistikerede og tankevækkende strategier, når de designer og implementerer kredsløb.Uanset om det er i almindelige elektriske apparater i det daglige liv eller avancerede teknologiprodukter, er en rimelig jordingsstrategi grundlaget for at opnå effektive, pålidelige og sikre elektroniske produkter.For ethvert projekt, der involverer elektroniske kredsløb, er en grundig forståelse af GNDs egenskaber og applikationer derfor nøglen til et vellykket design.