مفهوم گراند (GND)، زمین (Earth) و زمین کردن (Grounding)

این مقاله در مورد باغبانی نیست! کلمه زمین در الکترونیک بسیار رایج است. ما درباره مفاهیم مرتبط با کلمه زمین در حوزه برق صحبت میکنیم.

هنگام انجام طراحی الکترونیکی، گراند، زمین و بدنه مفاهیم مهمی هستند. مفهوم هر سه در حقیقت نقطه ای است که به لحاظ تئوری 0 ولت دارد. در نماد شماتیک هر یک از اینها تفاوت های کوچکی وجود دارد که در زیر نشان داده شده است:

تعریف اصطلاحات

گراند زمین (Earth Ground): نقطه ای که سیستم به زمین (سیاره زمین، خاک زیر پای ما) متصل میشود. این گراند را می توان با یک میله مسی کوبیده شده در خاک یا اتصال به یک لوله آب (در حالت ایده آل مس) به دست آورد. مکان هایی که باید به خوبی به زمین متصل شوند مثل دکل های تلفن همراه، ایستگاه های رادیویی، نیروگاه ها و… اغلب قطعات بزرگ مسی یا صفحات مسی را دفن می کنند.

گراند بدنه (Chassis Ground): در سیستمی مانند کامپیوتر یا رادیو، اتصال نقاط 0 ولت به گراند زمین ممکن نیست. بنابراین این نقاط به شاسی، بدنه یا محفظه دستگاه متصل می شوند. در دستگاه هایی که خطر شوک دارند، به عنوان مثال کتری یا توستر، گراند بدنه نیز به برق اصلی متصل می شود. این به این معنی است که در صورتی که سیم برق با محفظه تماس پیدا کند، جریان به زمین میرود و قبل از اینکه شوک الکتریکی به کسی وارد شود، یک قطع کننده باعث قطع شدن مدار میشود.

گراند مجازی (Virtual ground): نقطه ای از مدار است که نمی توان از آن به عنوان گراند استفاده کرد اما مانند یک نقطه گراند عمل می کند. به عنوان مثال، یک op-amp معکوس دارای یک گراند مجازی در پایه -ve است.

گراند شناور (Floating ground): در دستگاه هایی استفاده می شود که منبع تغذیه آنها توسط یک ترانسفورماتور از شبکه جدا می شود، یا جایی که دستگاه قابل حمل است و باتری خود را مصرف می کند استفاده میشوند. به عنوان مثال، مدارهای تلفن همراه از یک گراند شناور استفاده می کنند. همچنین دستگاه های برقی که فقط دو پین دارند (مانند سشوار) از گراند های شناور نیز استفاده می کنند.

گراند سیگنال (Signal Ground): در یک سیستم الکترونیکی مانند تقویت کننده، نقاط زیادی وجود دارد که قطعات باید به صفر ولت متصل شوند. از آنجایی که سیستم ممکن است تقویت قابل توجهی داشته باشد و در برخی نقاط، با جریان های زیاد، ولتاژهای کوچکی را می توان در مسیرهای گراند ایجاد کرد که باعث نوسان می شود. در سیستم‌های RF، سطح زمین یا مساحت بزرگی از مس در یکی از طرف‌ های PCB می‌تواند به اسکرین قطعات از یکدیگر کمک کند.

در مدار زیر دو باتری 9 ولتی به صورت سری به هم وصل شده اند و نقطه مشترک برای ایجاد یک گراند وصل شده است. این کار به طور موثر یک ریل منبع تغذیه دوگانه با ولتاژهای مثبت و منفی (9+ و -9 ولت) ایجاد می کند که می تواند برای تغذیه یک آپ امپ استفاده شود:

مشکلات رایج گراند (زمین)

ما امیدواریم که همه پایه های زمین (گراند) از نظر تئوری در یک ولتاژ صفر قرار بگیرند، اما این همیشه درست نیست.

برای مثال، در یک کشتی، ممکن است یک اختلاف پتانسیل ده‌ها ولتی بین «زمین‌ های» در عرشه‌ها یا قسمت‌های مختلف کشتی وجود داشته باشد. شخصی که از کابل کششی بلند استفاده می کند متوجه ولتاژ قابل توجهی بین عرشه و زمین روی سیم کشی می شود. مشکل مشابهی در سطوح هواپیماها رخ می دهد، زیرا آنها از میدان مغناطیسی زمین با سرعت بسیار بالا عبور می کنند. این یک اختلاف پتانسیل کوچک بین نقاط زمین ایجاد می کند.

هادی ها، سیم کشی ها، اتصالات و حتی خود خاک دارای امپدانس هستند، بنابراین با عبور جریان از مواد، ولتاژ تولید می شود.

در صورت امکان، طراحان مدار تلاش می کنند از حلقه های زمین متعدد اجتناب کنند و همه نقاط زمین را به یک نقطه مشترک برگردانند. این اغلب نقطه‌ای است که منبع تغذیه وارد می‌شود یا خازن‌های اصلی صاف‌کننده/جداکننده به بدنه متصل می‌شوند.

در سیستم هایی با بهره بالا، مانند تقویت کننده ها، جریان های زیادی در سیم کشی زمین وجود خواهد داشت. مهم است که ببینیم این گراند ها با مراحل ورودی تقویت کننده مشترک نیستند. در غیر این صورت، نوسان اجتناب ناپذیر است.

حلقه های زمینی

حلقه های زمین یک مشکل در سیستم های صوتی با بهره بالا در هنگام اتصال دستگاه هایی با منبع تغذیه مجزا هستند. به عنوان مثال، یک برد میکس به یک سیستم PA متصل است و هر کدام منبع تغذیه خود را دارند. صفحه ارت فلزی داخل کابل های صدا می تواند با ارت های مختلف شبکه یک حلقه تشکیل دهد و باعث مشکلات قابل توجهی شود.

در یک سیستم منبع تغذیه که یک سیستم سه فاز است، نقطه خنثی زمانی که بارهای وارده بر هر فاز متعادل می شود، پتانسیل صفر دارد. این به ندرت اتفاق می افتد. جریان های زیاد در یک فاز باعث می شود نول به سمت بالا شناور شود و باعث نوسانات ولتاژ در فازهای دیگر شود. به همین دلیل، نول با ارت با کیفیت خوب مانند میله ارت به زمین برده می شود.

در بسیاری از کشورها، نقطه خنثی نیز در نقطه ورود مصرف کننده به زمین متصل می شود.

رله های نشتی زمین

رله های نشتی زمین دارای دو سیم پیچ سیم پیچ هستند که در حال کار هستند

جهت های مثبت سیم های برق و خنثی از طریق این سیم پیچ ها تغذیه می شوند. چون جریان خروجی و ورودی یکسان است، در سیم پیچ رله شار وجود ندارد و عمل نمی کند. با این حال، در صورت بروز خطای نشتی زمانی که چیزی/فردی بین برق و زمین وصل می‌شود، جریان برگشتی کمتر خواهد بود، زیرا اکنون به زمین می‌رود و رله کار می‌کند و منبع تغذیه را قطع می‌کند.

توجه داشته باشید که در صورت تماس همزمان با سیم برق و نول، رله نشتی زمین نمی تواند از شما محافظت کند. در این صورت رله نشتی ارت فکر می کند شما یک لامپ هستید و باعث می شود روشن شوید!

بسیاری از قطعات الکترونیکی مانند ماسفت ها و تراشه های CMOS ممکن است در حمل و نقل آسیب ببینند. مونتاژکنندگان اغلب از تسمه های اتصال به زمین مچ و یک تشک کاری نیمه هادی یا تشک کف (آغشته به کربن) استفاده می کنند. توجه داشته باشید که بندهای مچ و مچ پا باید از طریق یک مقاومت 1M به زمین بروند تا در صورت تماس تصادفی با شبکه برق، از شوک جلوگیری شود.

یک سیستم حفاظت در برابر صاعقه در مورد ساختمان های مرتفع مشکلی از نوع RF ایجاد می کند. حتی با وجود سیم/تسمه مسی با جریان قابل توجه و در نتیجه مقاومت کم، زمان افزایش صاعقه بسیار زیاد است و مانند یک پالس RF عمل می کند. اندوکتانس سیم بلند باعث می شود ولتاژهای قابل توجهی در سراسر آن ظاهر شود.