Was ist GND in der Schaltung?

Verstehen Sie bei der Erforschung elektronischer Schaltkreise das Konzept von GND (Boden) und seine mehrfachen Rollen im Schaltungsdesign.GND liefert als Grundelement in elektronischen Schaltungen nicht nur den Referenzpotentialpunkt der Schaltung, sondern spielt auch eine wichtige Rolle bei der Leistung, Stabilität und Sicherheit der Schaltung.Vom grundlegenden Sicherheitsschutz von Haushaltsgeräten bis hin zu fortgeschrittenen Anwendungen in komplexen elektronischen Geräten werden die Rolle und Implementierung von GND in vielen Aspekten und ihrer Komplexität dargestellt.Dieser Artikel zielt darauf ab, eine eingehende Diskussion der verschiedenen Arten von GND, der Funktionsweise und ihrer Bedeutung für das Schaltungsdesign zu liefern, um eine umfassende Perspektive zum Verständnis dieser kritischen Schaltkomponente zu bieten.

Was ist GND (Boden)?

GND ist die Abkürzung für den Boden.GND steht für Boden oder 0 Draht.

Der Boden kann sich auch auf die Erde beziehen, die kein wahrer Boden ist, sondern ein angenommener Boden für Anwendungszwecke.Verbindet elektrische Geräte mit dem Boden, um zu verhindern, dass der Benutzer Hochspannungen ausgesetzt wird.

Verschiedene "Gründe" im Stromkreis

Die Erdung ist ein Kernsicherheitsmerkmal von elektrischen Systemen.Der Hauptzweck ist es, den sicheren Betrieb von elektrischen Geräten zu gewährleisten, insbesondere solche mit Metallkörpern wie Haushaltskühlschränken, Waschmaschinen oder Öfen.Durch Design sollte der Körper dieser Geräte nicht live sein.Im tatsächlichen Gebrauch kann der Rumpf jedoch versehentlich aufgrund interner Verwerfungen wie Alterung oder Schäden an Isolationsmaterialien aufgeladen werden.Wenn die Ausrüstung nicht geerdet ist, verursacht die lebende Körperschaft beim Berühren der Ausrüstung direkt das Risiko eines Elektroschocks.Um dies zu verhindern, stellt das Verbinden des Gerätekörpers über einen dedizierten Bodenleiter sicher, dass ein fehlgeleiteter Strom sicher auf den Boden gerichtet ist und nicht über den menschlichen Körper, der die Ausrüstung berührt.Die Zusammensetzung der Erdung der elektrischen Geräte ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Zusammensetzung der Erdung der elektrischen Geräte

Auf technischer Ebene basiert die Erdung typischerweise auf einer physischen Verbindung zu einem Erdungsdraht oder einer Erdungsstange.Ein Ende dieser Erdungsdrähte ist mit einem Metallteil des Geräts verbunden, und das andere Ende ist mit dem Erdungssystem des Gebäudes verbunden oder direkt unter der Erde vergraben.Diese Verbindungsmethode erzeugt effektiv einen sicheren Pfad, so dass bei einem internen Fehler jeder durchgesickerte Strom effektiv auf den Boden gerichtet ist, wodurch das Risiko eines elektrischen Schocks vermieden wird.

In einigen Umgebungen mit hohem Risiko kann neben seiner grundlegenden Sicherheitsrolle auch die Erdung in Verbindung mit anderen Sicherheitsvorrichtungen wie Leckstromgeräten (RCDs) verwendet werden.Die Funktion dieser Geräte besteht darin, zu überwachen, ob der in das Gerät fließende Strom ausgeglichen ist.Wenn ein Ungleichgewicht festgestellt wird (was darauf hinweist, dass der Strom durch andere abnormale Wege wie den menschlichen Körper fließt), schneidet das Gerät sofort die Leistung ab, um einen Elektroschock zu vermeiden.

In speziellen elektrischen Geräten spielt die Erdung eine vielfältigere Rolle, beispielsweise bei medizinischen Geräten oder in hoher Präzisionslaborgeräten, bei denen sie nicht nur zum Schutz des Personals verwendet wird, sondern auch den genauen Betrieb der Geräte sicherstellen und elektromagnetische Störungen verhindern.In solchen Fällen muss das Design und die Implementierung von Erdung präziser und komplexer sein, um die spezifischen Sicherheits- und Funktionsanforderungen zu erfüllen.

GND spielt eine sehr wichtige Rolle bei der Entwicklung elektronischer Schaltung.Seine Rolle kann aus den folgenden technischen Dimensionen eingehend analysiert werden:

Eine soll ein Referenzpotential bereitstellen.GND liefert normalerweise den gemeinsamen Referenzpotentialpunkt in einer Schaltung.Alle Spannungen in einer Schaltung werden relativ zu GND gemessen, was bedeutet, dass der GND -Punkt als Nullspannungspunkt definiert ist.Ein gemeinsamer Referenzpotentialpunkt sorgt dafür, dass die korrekten Spannungsniveaus zwischen Schaltungskomponenten und genaue Signalübertragung.

Die zweite ist die Bildung von Stromschleifpfaden.In jeder Schaltung muss der Strom einen vollständigen Schleifenpfad haben, um den ordnungsgemäßen Betrieb zu erreichen.GND liefert den Pfad, dass der Strom von der Stromversorgung zum Lastabschnitt der Schaltung (z. B. Transistor, Widerstand usw.) und dann durch GND zur Stromversorgung zurück zum Stromversorgungsversorgung zurückbleibt und einen vollständigen Stromschleifpfad bildet.

Das dritte ist die Abschirmung der elektromagnetischen Interferenz (EMI).Die wichtigste Rolle von GND beim Schaltungsdesign besteht darin, externe Interferenzen, insbesondere EMI, zu verringern.Durch die Erde des empfindlichen Teils des Schaltkreises können die störenden Signale effektiv auf den Boden geschüttet werden, wodurch die Schaltung vor EMI geschützt wird.

Der vierte besteht darin, die Leistung und Stabilität der Schaltung zu verbessern.Ein gutes Erdungsdesign kann die Gesamtleistung und Stabilität der Schaltung erheblich verbessern.Durch die Verwendung einer Sternboden- oder Mehrpunkt-Erdungsstrategie kann die durch Erdungsdrähte verursachten möglichen Unterschiede minimiert werden, wodurch das Rauschen und die Verzerrung im Signalweg verringert werden.Beispielsweise können korrekte Erdungsmethoden in digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen die Signalreflexionen und das Übersprechen reduzieren, wodurch die Signalintegrität verbessert wird.

Der fünfte ist der Sicherheitsschutzmechanismus.Im Falle einer Fehlerbedingung wie einem Kurzschluss oder einer beschädigten Ausrüstung bietet GND einen sicheren Weg für den Strom zur Entlassung.Dies hilft schnell überschüssiger Strom und verhindert Elektrobrände oder Geräteschäden.Darüber hinaus hilft die Erdung bei der Sicherheit des Bedieners und verhindert das Risiko eines elektrischen Schocks aufgrund des Ausfalls der Ausrüstung.

In der obigen Analyse können wir feststellen, dass GND nicht nur ein grundlegendes Element in der elektronischen Schaltungskonstruktion ist, sondern auch der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der Schaltungsleistung, Stabilität und Sicherheit.Während des Entwurfsprozesses haben verschiedene Arten von Schaltungen unterschiedliche Anforderungen für GND.Daher müssen die Ingenieure die Erdungsstrategie sorgfältig in Betracht ziehen, um die Optimierung und Sicherheit des Schaltungsdesigns zu gewährleisten.Ob bei Simple Circuit Design oder komplexer Systemintegration, eine angemessene Erdungsstrategie ist die Grundlage für effiziente, zuverlässige und sichere elektronische Produkte.

4.1 ANTALOG MODE AGND

Analog Ground AGND wird hauptsächlich in analogen Schaltungen verwendet, insbesondere in Anwendungen mit schwachen analogen Signalen wie ADC -Erfassungsschaltungen und Betriebsverstärkerschaltungen.In solchen Schaltungen sind sie aufgrund der Empfindlichkeit und Schwäche analogen Signale äußerst anfällig für große Stromstörungen durch andere Schaltungen.Ohne eine dedizierte AgND können diese großen Ströme in analogen Schaltungen zu signifikanten Spannungsabfällen führen, was in schweren Fällen eine Signalverzerrung und sogar einen Schaltkreisversagen verursacht.Daher ist das Vorhandensein von AgND von Bedeutung, um die Integrität und Genauigkeit von analogen Signalen aufrechtzuerhalten.

4.2 Digital Ground DGND

Digital Ground DGND unterscheidet sich von AGND, insbesondere in Anwendungen in digitalen Schaltkreisen wie wichtigen Erkennungsschaltungen, USB -Kommunikationsschaltungen und Mikrocontroller -Schaltungen.Ein Kerncharakteristik für digitale Schaltkreise ist, dass die von ihnen verarbeitenden Signale diskret sind, was bedeutet, dass das Signal zwischen nur zwei Zuständen ändert und normalerweise als digitales "0" und digital "1." identifiziert wird.Wie nachfolgend dargestellt.

Verarbeitung digitaler Schaltung

Diese Zustände entsprechen unterschiedlichen Spannungsniveaus, in der Regel "0" ein niedriges Niveau und "1" ein hohes Niveau.Schnelle Spannungsänderungen treten auf, wenn ein digitaler Schaltkreis von einem "0" -Zustand in einen "1" -Abatus wechselt oder umgekehrt.Diese Änderungen umfassen nicht nur die Spannung selbst, sondern auch die begleitenden Änderungen des Stroms.Gemäß der elektromagnetischen Theorie von Maxwell erzeugen Änderungen in diesem Strom ein sich ändernder Magnetfeld um sie herum, was wiederum elektromagnetische Interferenzen (EMI) erzeugt, die andere Komponenten in der Schaltung oder an benachbarte Schaltungen stören kann.Um die Auswirkungen dieser elektromagnetischen Interferenz auf die Gesamtleistung der Schaltung zu verringern, verwenden Designer normalerweise eine unabhängige digitale DGND.Im Vergleich zu analogen Boden (AGND) wurde DGND speziell für digitale Schaltungen entwickelt, um einen stabilen Referenzpunkt bereitzustellen und elektromagnetische Interferenzen, die durch digitale Signale erzeugt werden, effektiv zu isolieren.Dies hilft, den Gesamtgeräuschpegel der Schaltung zu verringern und so die Signalintegrität und die Zuverlässigkeit der Schaltung zu verbessern.

In komplexen Schaltungssystemen, insbesondere solchen, die sowohl analoge als auch digitale Teile enthalten, ist es wichtig, zwischen DGND und AgND zu unterscheiden.Da analoge Signale für Rauschen empfindlicher sind, kann die Trennung von DGND und AgND sicherstellen, dass der analoge Teil nicht durch elektromagnetische Interferenzen beeinflusst wird, die durch digitale Signalschaltung verursacht werden.Während des Entwurfs und des Layoutprozesses des Leiterplattenplatine (PCB) muss die Platzierung von DGNDs sorgfältig in Betracht gezogen werden, um die Bildung von Schleifen zu vermeiden, was zu Stromschleifstörungen führen kann.Ordnungsgemäß platzierte DGNDs helfen dabei, die Signalintegrität zu optimieren und gestrahlte und durchgeführte Interferenzen zu reduzieren.

4.3 Power Ground PGND

In unserem Leben werden Schaltkreise in Schaltkreise mit geringer Leistung und Hochleistungsschaltungen unterteilt.Die oben erwähnte analoge Boden- oder Digital Ground-DGND sind Schaltkreise mit geringer Leistung.Für diese Hochleistungsschaltungen wie Motorantriebskreise, Magnetventilantriebskreise usw. gibt es auch eine spezielle Referenzfläche, die als Power Ground PGND bezeichnet wird.In Hochleistungsschaltungen haben die Größe und Variation des Stroms einen ausgeprägten Einfluss auf das Erdungssystem als in Schaltkreisen mit geringer Leistung.Daher kann im Vergleich zum Analog-Boden mit geringer Leistung von AGND oder dem digitalen DGND bezeichnet werden, dass der Power Ground PGND speziell für die Behandlung dieser hohen Ströme ausgelegt und die Schaltungsstabilität gewährleistet wird.

In diesen Hochleistungsschaltungen kann der signifikante Anstieg des Stroms leicht zu Bodenversatz zwischen verschiedenen funktionellen Schaltungen führen.Diese Verschiebung tritt auf, wenn der Bodenreferenzpunkt (GND) aufgrund des hohen Stromübergangs einen Spannungsabfall erfährt.Nehmen wir beispielsweise an, dass eine Schaltung ausgelegt ist, für die eine stabilisierte Spannung von 5 V erforderlich ist, jedoch aufgrund eines Versatzes im Boden.In diesem Fall kann der GND-Referenzpunkt von 0V auf 1 V steigen, wodurch die tatsächliche Spannung auf 4 V (5V-1v = 4 V) sinkt, wodurch sich die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit des Schaltkreises beeinflusst.Daher muss beim Entwerfen von Hochleistungsschaltungen besondere Aufmerksamkeit auf das Layout und die Implementierung von PGND geschenkt werden.Das ordnungsgemäße PGND -Design kann die Auswirkungen des Bodenversatzes minimieren und die Stabilität der Stromversorgung sicherstellen.Versuchen Sie, dickere Drähte, dedizierte Erdungsschichten zu verwenden oder mehrere Erdungspunkte zu entwerfen, um den Strom auszubreiten, wodurch der Spannungsabfall an einem einzelnen Punkt verringert wird.

Darüber hinaus hilft PGND auch bei der Reduzierung der durch hohen Ströme verursachten elektromagnetischen Interferenzen (EMI).Durch die Bereitstellung einer stabilen Bodenreferenz hilft PGND bei der Reduzierung von Rauschen und Störungen in Schaltungen, insbesondere in Anwendungen, bei denen die elektromagnetische Kompatibilität (EMC) eine besondere Überlegung darstellt.

4.4 Power Ground GND

Analog Boden -Agnd, Digital Ground DGND und Power Ground PGND gehören alle zur Kategorie des DC -Bodens GND.Diese verschiedenen Arten von Gründen bilden schließlich den 0V -Referenzboden für den gesamten Schaltkreis, das die GND von Power Ground ist.Die Spannung und der Strom aller Schaltungen stammen aus der Stromversorgung.Daher wird die GND der Stromversorgung zum Fundament und zum Ausgangspunkt aller Schaltungen.Dies erklärt, warum verschiedene Arten von Gründen letztendlich an den Power Ground GND zusammengefasst werden müssen, um die allgemeine Konsistenz und Stabilität der Schaltung zu gewährleisten.

4.5 Austauschplatz CGND

AC-Boden-CGND erscheint normalerweise in Schaltungsprojekten, die Wechselstromquellen enthalten, wie z. B. AC-DC in der folgenden Abbildung.In diesen Schaltkreisen, da der vordere Teil der Schaltung der Wechselstromteil ist und der hintere Teil in DC umgewandelt wird, werden zwei verschiedene Erdungspunkte zwangsläufig gebildet: einer für den Wechselstromteil und der andere für den Gleichstromteil.Um die Konsistenz des Stromkreises zu gewährleisten, verbinden die Ingenieure die beiden Bodenpunkte normalerweise über einen Kopplungskondensator oder -induktor, um den Wechselstrom- und DC -Boden zu vereinen.

DC und AC

4.6 Masse EGND

Die Sicherheitsspannung des menschlichen Körpers wird allgemein als Spannung von weniger als 36 V angesehen.Wenn die Spannung diesen Schwellenwert überschreitet, kann sie Schaden zufügen, wenn sie auf einen menschlichen Körper angewendet wird.Daher implementieren Ingenieure beim Entwerfen von Hochspannungs- und Hochstromkreisen EGND häufig, um die Sicherheit zu verbessern.Dies ist in Schaltkreisen von Haushaltsgeräten wie Fans, Kühlschränken und Fernsehern üblich.In der folgenden Abbildung ist eine Steckdose mit Boden -EGND -Schutz dargestellt.

Steckdose mit gemahlenem EGND -Schutz

220 V AC erfordert nur lebende und neutrale Drähte.Warum haben Haushaltsgeräte Sockets 3 Terminals?

Normalerweise erfordert eine 220 -V -Wechselstromversorgung nur zwei Drähte: einen heißen Draht (heißer Draht) und einen neutralen Draht (neutraler Draht).In der Regel sind Sockets für Haushaltsgeräte ein drittes Terminal, den Erdbodendraht -EGND.Die Zugabe dieses dritten Terminals bietet zwar nicht an der Hauptfunktion der Schaltung, bietet einen kritischen Sicherheitsschutz.Wenn ein Fehler innerhalb des elektrischen Geräts auftritt, wie z. B. Isolationsschäden, die dazu führen, dass der Körper elektrifiziert wird, bietet er einen sicheren Fluchtweg für Strom.Auf diese Weise wird ein fehlgeleiteter Strom eher auf den Boden gerichtet als durch den menschlichen Körper, der das Gerät berührt, wodurch das Risiko eines elektrischen Schocks stark verringert wird.Daher gibt es einen klaren Unterschied in der Schaltungsbedeutung zwischen EGND und anderen Arten von Bodendrähten GND.EGND ist nicht direkt an der Hauptfunktion der Schaltung beteiligt.Speziell entwickelt, um die Sicherheit zu verbessern, wird mit der Erde verbunden, um einen stabilen Bodenreferenzpunkt bereitzustellen, und führt bei abnormalen Bedingungen Strom durch, um Geräte und Benutzer vor Hochspannungen zu schützen.

Die Anwendung von EGND im Schaltungsdesign ist nicht auf Haushaltsgeräte beschränkt.EGND ist eine notwendige Sicherheitsmaßnahme bei jedem Schaltungsdesign mit Hochspannung oder Strom.Es hilft sicherzustellen, dass die betriebliche Sicherheit auch im Falle eines Geräteversagens oder in anderen ungewöhnlichen Umständen aufrechterhalten wird.

Im elektronischen Schaltungsdesign erscheint das Konzept des Bodendraht -GND einfach, enthält jedoch eine Vielzahl verschiedener Funktionen und Klassifizierungen, was ein scheinbar einfaches Schaltkreisproblem ziemlich kompliziert macht.Warum gibt es also so viele Unterteilungen von GND -Erdungsfunktionen?Im Allgemeinen nennen sie, wenn Ingenieure Schaltkreise entwerfen, häufig alle GND -Bodendrähte einfach als GND und unterscheiden sie nicht im schematischen Design.Obwohl dieser Ansatz einfach in Betrieb ist, verursacht er eine Reihe von Problemen, insbesondere in der PCB -Verkabelungsphase, wo es schwierig ist, die GND -Bodendrähte verschiedener Schaltungsfunktionen effektiv zu identifizieren und zu verarbeiten.

In Bezug auf das Problem des Signal-Übersprechens, wenn die GNDs unterschiedlicher Funktionen direkt angeschlossen sind, insbesondere wenn der GND eines Hochleistungskreislaufs mit dem GND eines Schaltkreises mit geringer Leistung gemischt wird, kann dies einen Einfluss auf den 0V-Referenzpunkt der 0V haben.Schaltkreis mit geringer Leistung.Eine solche Verdrahtungsmethode kann leicht ein Signal -Übersprechen zwischen verschiedenen Schaltkreisen verursachen und so die Leistung der Schaltung beeinflussen.In einem System, das digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungen und präzise analoge Schaltkreise enthält, kann beispielsweise in den digitalen Schaltkreisen Hochfrequenzschaltvorgänge zu erheblichen Spannungsschwankungen auf dem gemeinsam genutzten GND-Pfad führen.Diese Schwankungen breiten sich durch den GND -Pfad aus und beeinflussen die Leistung analogen Schaltungen.Daher ist es ideal, separate GND -Ebenen oder -spuren zu verwenden, um diese gegenseitige Interferenz zu verringern.

Bei der Gestaltung komplexerer Schaltungssysteme wird die Verwaltung von GND komplexer.In einem Schaltungssystemprojekt, das sowohl analoge als auch digitale Subsysteme enthält, kann die Stabilität des AGND durch periodische Änderungen des CGND beeinflusst werden, wenn der AGND einer Analogkreis mit dem CGND einer Wechselstromversorgung verbunden ist.Die Spannung bei CGND der Wechselstromversorgung schwankt regelmäßig, während der DC -Boden -GND im Allgemeinen bei 0 V konstant bleibt.Diese Schwankung kann sich an den analogen Schaltkreis ausbreiten und Abweichungen in der Referenzspannung verursachen.Um dies zu vermeiden, besteht ein gängiger Ansatz darin, Isolationstechniken zu verwenden oder eine separate AGND -Ebene zu verwenden, um die Signalpräzision und Genauigkeit zu gewährleisten.

Die elektromagnetische Kompatibilität (EMC) ist eine wichtige Überlegung bei der Schaltungsdesign, und das Layout des GND hat auch einen signifikanten Einfluss auf die EMC.Wenn die GNDs verschiedener Schaltungen verbunden sind, kann der Schaltkreis mit dem stärkeren Signal den Schaltkreis mit dem schwächeren Signal direkt beeinträchtigen.Diese Interferenz kann dazu führen, dass der Schaltkreis mit dem schwächeren Signal zu einer Quelle für elektromagnetische Strahlung aus einer stärkeren externen Quelle wird, was die Handhabung der Schaltung des EMK erschwert.Wenn Sie sich über diese Art von Problem befassen, berücksichtigen Sie Techniken wie Filterung, Abschirmung und dedizierte GND -Ausrichtungen während des Designs, um das Auftreten solcher Interferenzsituationen zu minimieren.

EMC -Filter

Je weniger Signalverbindungen zwischen Schaltungssystemen, desto größer sind ihre Fähigkeit, unabhängig zu arbeiten.Im Gegenteil, je mehr Signalverbindungen es gibt, desto schwächer ist die Fähigkeit jedes Schaltungssystems, unabhängig zu arbeiten.Wenn die Bodendrähte von Schaltungen mit unterschiedlichen Funktionen verbunden sind, ist es gleichwertig mit dem Hinzufügen eines potenziellen Interferenzverbinds zwischen den Schaltungen, was die Gesamtzuverlässigkeit des Schaltkreises verringern kann.Wenn beispielsweise keine Schnittstelle zwischen zwei Schaltungssystemen A und B besteht, wirkt sich die Funktionalität von System A nicht auf den normalen Betrieb von System B aus und umgekehrt.Wenn jedoch die Bodendrähte dieser Systeme gemischt sind, kann unnötige Störungen eingeführt werden, was die Stabilität und Zuverlässigkeit der Schaltung beeinflusst.

Insgesamt geht die Rolle von GND bei der elektronischen Schaltung weit über einen einfachen Erdungspunkt hinaus.Von der Gewährleistung der grundlegenden elektrischen Sicherheit bis hin zur Gewährleistung eines genauen und stabilen Betriebs von Schaltungen kann die Bedeutung von GND nicht ignoriert werden.In mehreren Klassifikationen und komplexen Arbeitsprinzipien müssen Ingenieure ausgefeilte und nachdenkliche Strategien bei der Gestaltung und Implementierung von Schaltkreisen anwenden.Ob in gewöhnlichen Elektrogeräten im täglichen Leben oder in High-End-Technologieprodukten, eine angemessene Erdungsstrategie ist die Grundlage für die Erreichung effizienter, zuverlässiger und sicherer elektronischer Produkte.Daher ist für jedes Projekt, das elektronische Schaltungen umfasst, ein gründliches Verständnis der Merkmale und Anwendungen von GND für ein erfolgreiches Design.