Noţiunile Pământ și Ground, Ground pământ și Ground șasiu sunt, probabil, cele mai puţin înţelese în electronică. Diferenţa se reduce la chestiunea de a se defini un punct de referinţă. Termenul “pământ”, literalmente indică un punct de referinţă pentru planeta Pământ. Planeta Pământ este în esenţă un rezervor infinit de electroni și este, astfel, cel mai bun loc pentru “scurgerea” electronilor în exces dintr-un sistem. Punctul de contact cu trimitere la pământ este, în general, realizat prin înfigerea unui obiect bun conductor de curent la câţiva metri în sol, asigurând o conexiune solidă la pământ. Datorită tipurilor diferite de sol, chiar și această conexiune la pământ va avea rezistenţe diferite în locuri diferite. Tranziţii mari de tensiune și de curent datorită activităţilor umane și descărcărilor electrice naturale vor influenţa reţelele de împământare. De aceea va exista mereu diferenţă de potenţiale între punctele Ground ale diferitelor aparate.
Termenul de “împământare” sau “Ground pământ” denotă o conexiune la un punct de referință reală la pământ. Termenul de “Ground șasiu” indică un Ground referință al unui dispozitiv electronic din incintă, pe carcasa de metal. Este posibil ca această referință de Ground să stea la potențialul pământului sau la o altă valoare dacă nu se leagă la pământ. În cazul în care un șasiu nu este legat la pământ, se spune că este “flotant” sau că “plutește” la un alt potențial decât Ground pământ. Un circuit flotant poate avea problemele de siguranță în utilizare pentru un operator uman asociat cu acesta, datorită faptului că nu există nicio cale cu impedanță mică spre Ground pământ prin care să se scurgă curenți accidentali. Cu toate acestea, acest tip de circuit flotant poate ajuta la izolarea unui sistem de problemele de interferență cauzate de buclele de Ground.
Diferitele tipuri de Ground în circuite electrice sau electronice
Un “Ground” sau o masă sau un nivel comun sau o bază de referinţă în circuitele electrice sau electronice, este un nivel ideal de referință care, în mod teoretic,
este la
zero volți peste tot. Pământul însuși este adesea
folosit ca un nivel de referință ce aproximează noțiunea de Ground sau de bază considerată cu potențial zero, la care se raportează toate celelalte tensiuni sau conexiuni. De aceea se folosesc expresiile conexiune la Pământ sau împământare.
Pornind de la această definire, în domeniul ingineriei electrice și electronice este o mare provocare de a face ca lucrurile să funcționeze bine în lumea reală, care diferă de modelul ideal sau teoretic.
Împământarea este una dintre cerințele în care diferența dintre lumea ideală și lumea reală trebuie să fie satisfăcută. Problematica ridicată de împământare și de protecție este complexă, iar rezolvările sunt foarte diferite. Acest articol abordează pe scurt noțiunile și propune câteva soluții general valabile. Vom folosi în continuare numai denumirea de Ground pentru nivelul considerat zero volţi.
Funcțiile unui Ground sunt diferite și trebuie să facem distincție între ele:
1. Ground – oferă o cale de întoarcere pentru un curent.
2. Ground – oferă un punct de referință pentru măsurarea de alte potențiale sau semnale (Nota 3)
3. Ground – oferă o conexiune de siguranță pentru carcase metalice.
4. Ground – oferă un ecran contra infiltrării zgomotului electromagnetic, ca într-un cablu coaxial sau o carcasă metalică de tip cușcă Faraday.
5. Ground – este un plan necesar pentru ca o antenă să funcționeze corect.
6. Ground – este adesea folosit ca un radiator pentru a disipa căldura din componentele circuitelor electronice.
O idee bună este de a utiliza câte un “Ground” diferit pentru fiecare funcție. De exemplu, în cablajul electric, atât firele neutre (N) cât și cele de protecție la Ground (G) sunt conexiuni la un Ground general, dar unul servește ca o cale de întoarcere a curentului, iar celălalt este o conexiune de siguranță pentru utilizator. Există motive foarte bune, verificate în practică, pentru a avea această conectare pe două fire diferite.
În circuitele electronice, sunt adesea folosite Ground-uri diferite, deoarece căile către un Ground real au rezistență, inductanță și capacitate, iar semnalele vor avea nevoie de timp pentru a parcurge dintr-o parte de circuit la alta – mai ales atunci când sunt utilizate trasee subțiri de cupru pe o placă de circuit.
Principala preocupare în lumea reală legată de împământare trebuie să aibă în vedere debitul curent și căile de curent. De exemplu, într-o placă de PC, curenții de putere și semnalele de ceas de mare viteză folosesc, de obicei, trasee de cupru considerate Ground, ce sunt diferite de traseele de referință considerate Ground pentru semnalele cu nivele mici și frecvențe joase date de senzori, astfel încât curentul tranzitoriu de comutare (puternic perturbativ prin comutările rapide de putere) nu afectează Ground-ul de referință pentru semnale mici. Ground-urile sunt legate împreună într-un punct, astfel încât nu există nicio cale de circuit pentru curent între căile de conectare la fiecare Ground, dar ele sunt la același potențial. Nu ar fi necesară această separație dacă am fi avut un Ground ideal – de zero volți peste tot, cu nicio impedanță între oricare două puncte.
Configurația descrisă, cu fire de Ground ce vin radial într-un singur punct, considerat Ground circuit este “Ground de tip stea” în care toți consumatorii mari de energie au proprile lor fire (putere și Ground) de conectare la sursa de alimentare. În acest mod se previne ca, prin curenți mari să apară ridicarea nivelului de bază, adică al Ground-ului considerat de zero volți, ceea ce ar afecta nivelul de raportare (deci de măsurare corectă) al semnalelor de putere mică.
Regulă simplă și practică: se leagă toți consumatorii mari de energie direct la sursa de alimentare și se face orice cu restul. Există însă un risc de a apărea “bucle” de Ground, care sunt o mare problemă în circuitele audio (deoarece pot duce la un zumzet acustic), dar nu este aproape la fel de important ca obținerea unui control al curenților mari. În buclele de Ground aflate câmpuri electromagnetice variabile vor apărea bucle de curenți conform legii de inducție a lui Faraday, ce pot perturba sau chiar defecta aparatele electronice.
Trebuie să reținem diferențele de tipuri de Ground într-un aparat electric:
• Ground semnal (Signal Ground) – asigură calea de întoarcere pentru semnale cu nivel redus de energie.
• Ground șasiu (Chassis Ground) – este prevăzut pe cadrul mecanic sau pe carcasă, în cazul în care este realizată dintr-un material conductor. Poate fi legat la Ground circuit (punctul de conectare stea a tuturor Ground-urilor) sau la Ground analogic (vezi Nota 3)
• Ground împământare (Earth Ground) este borna ce se leagă efectiv la pământ pentru a asigura o cale de impedanță mică pentru curent în scop de protecție la atingeri accidentale. Deteriorarea circuitelor sensibile, când se leagă împreună, toate la potențiale diferite, având surse de alimentare diferite și diferite puncte de împământare este evitată știind următoarele aserțiuni:
A1.
Tensiunile nu provocă daune, acestea pot apărea când rezultă curenţi
. De exemplu, putem fi încărcați la o tensiune mare datorită hainelor din materiale sintetice, dar simțim curenții de descărcare ce apar când atingem un element conductor. Echipamentele de lucru anti ESD împiedică acumulare de sarcini electrice statice, prin conectarea permanentă la pământ. Deci, atât timp cât este un circuit cu înaltă impedanță, între două puncte cu potențiale diferite, nu apar cu adevărat daune (vezi Nota 2). De exemplu o sondă de măsură are impedanță mare (uzual, 1 … 10MΩ) și nu va fi o problemă de verificat o tensiune mare (dacă nu se depășește tensiunea nominală maximă pentru sondă).
A2:
Energia electrică se scurge numai atunci când există o cale de întoarcere
. O sursă de alimentare este în mod normal, izolată galvanic față de rețeaua de alimentare AC. Acest lucru înseamnă că nu este nicio legătură între rețeaua AC și tensiunea de ieșire, deci niciun curent nu poate curge. Legarea bornei minus (-) de la ieșirea sursei la șasiu sau la carcasă nu va schimba acest lucru. De asemenea, legând “Ground șasiu” la “Ground pământ” nu se va produce niciun curent.
A3:
Firul de Ground nu poartă în mod normal, niciun curent
. Acest lucru este esențial, ceea ce se asigură cu o împământare bine executată. Atunci când nu există niciun curent, nu apare nicio cădere de tensiune. Într-un sistem de alimentare din rețea AC cu 3-fire (L, N, G) folosit în cele mai multe părți ale lumii, firul de Ground (G) este bun și ca referință și la protejare la scurgeri de curent. Prima regulă de autoprotejare: se leagă toate Ground-urile de șasiu și de semnal la firul “G”, care, la rândul său, este în mod normal, legat la Ground-ul pământ undeva în subsol (numai într-un singur loc). Dacă există vreodată un scurtcircuit între celelalte fire de alimentare AC purtătoare de curent (și periculoase) și acest fir “G”, se petrec două lucruri: 1) curenții în firul “L” (live) și firul “N” (neutru) nu se mai pot anula și poate interveni o siguranță, sau 2) un curent va începe să curgă prin firul “G”.
A4:
Energia electrică se transferă pe calea minimei rezistenţe (sau inductanţe în cazul HF)
. Firul G nu este prevăzut pentru a transporta curent, ci de a lega toate sursele de alimentare cu putere, zise izolate și anume cele flotante, din toate dispozitivele, împreună! Dacă se revine la aserțiunea A2, atunci se poate spune că, fiecare aparat izolat are propria sursă de alimentare și curentul pe care îl produce merge întotdeauna înapoi în el. Sau, spusă în mod diferit: fiecare sursă de alimentare gestionează electronii proprii. Conexiunea Ground comună doar “asigură” ca o parte din fiecare alimentare să fie la un punct de referință în condiții de siguranță, și leagă ferm acest punct la toate suprafețele conductoare din jurul nostru.
Trebuie respectate indicaţiile producătorilor de surse de alimentare, care cunosc bine aceste noţiuni și de aceea sursele au specificate bornele L, N, G de conectare la reţeaua AC, precum și borna Earth Ground (simbolizată uneori EG).
Trebuie proiectată cu grijă conectarea surselor de alimentare pentru a evita buclele de Ground, prin care perturbaţiile electromagnetice induc curenţi în sistem. În cazul conectoarelor pentru cabluri de legătură care transportă semnale și curenţi de alimentare este prevăzută conectarea unei ecranări metalice ce îmbracă cablul, la pământ (Earth) printr-un pin dedicat, notat cu litera E, folosit exclusiv pentru împământare.
Nota 1.
Ground virtual
O problemă comună în electronica cu semnale analogice este cerința de alimentare cu tensiune duală (de exemplu, ±5 V), dar având doar o singură sursă de tensiune disponibilă, sursă flotantă, cum ar fi o baterie în cazul aparatelor portabile. Există diverse modalități de a “diviza” o singură tensiune, astfel încât să se comporte ca o sursă dublă cu un Ground virtual. Sunt disponibile circuite integrate de Ground virtual de la diverse firme care realizează această cerință. Ground-ul virtual nu are nicio legătură cu pământul.
Nota 2.
Diferenţă de Potenţial
Tensiunea între oricare două puncte într-un circuit este cunoscută sub numele de diferenţă de potenţial. Vorbim de căderea de tensiune dacă există o legătură prin care să apară un flux de curent. Unitatea măsură a diferenței de potențial este Voltul (V) și este definit ca diferența de potențial peste o rezistență de 1Ω (ohm) prin care se transportă un curent de 1 amper. Aceasta este legea lui Ohm: 1V = 1A × 1Ω
Nota 3.
Tipuri de Ground de semnal în schemele electronice
Se utilizează în funcție de schema electrică a aplicației, o separare mai clară a
nivelelor de Ground de semnal: Ground Intrare Analogică (AIGND – Analog Input Ground), Ground Ieșire Analogică (AOGND – Analog Output Ground) și Ground Digital (DGND – Digital Ground). Aceste Ground-uri sunt toate raportate la un singur punct de pe placa de circuit în sine, dar au planuri diferite de ground pe placă pentru a minimiza zgomotul electric și cross-talk. Ground Digital este deosebit de zgomotos din cauza conținutului de înaltă frecvență a semnalelor digitale. Deci, pe o placă de cablaj corect proiectată ar putea fi trei tipuri de Ground de semnal, plus un Ground de putere care adună curenții de alimentare a circuitelor electronice.
Un număr sau literă în triunghiul Ground semnal, indică faptul că este comun cu alt Ground semnal, din schemă.
Nota 4.
Surse de semnal
Există 2 categorii principale de surse de semnal:
– Surse cu Ground. O sursă de semnal cu Ground este una în care semnalele de tensiune sunt raportate la un Ground de sistem, cum ar fi pământ sau baza clădirii. Rețineți că terminalul negativ al sursei de semnal face referire la Ground. Cele mai comune exemple de surse de semnal cu Ground sunt: surse de alimentare, osciloscoape, generatoare de semnal și altele care se conectează la pământul clădirii printr-o priză de perete.
Ground-urile a două surse de semnal cu Ground, independente , nu vor fi la același potențial. Diferența de potențial între Ground-uri la două instrumente conectate la același sol al clădirii este de obicei 10mV până la 200mV, sau chiar mai mult. Diferența poate fi mai mare în cazul în care circuitele de distribuție a energiei electrice nu sunt conectate corect.
– Surse fără Ground sau flotante. O sursă de semnal flotantă sau sursă fără Ground este una în care semnalul de tensiune nu se referă la un Ground de sistem, cum ar fi pământ sau baza clădirii. Niciun terminal al sursei, pozitiv sau negativ, nu este referit la Ground. Exemple uzuale de surse de semnal plutitoare includ: multimetru digital portabil, baterii, termocupluri, transformatoare, amplificatoare cu izolare. Avantajul sursei de alimentare flotante este izolarea tensiunii de ieșire față de interferețele cauzate de eventuale bucle de Ground. Se evită astfel distrugerea componentelor sensibile prin diferențe mari de potențial și se asigură măsurători corecte.
Sursele de alimentare date ca exemple sunt fabricate de Meanwell.
Detalii tehnice și comerciale obțineți la
ECAS
ELECTRO, distribuitor autorizat al produselor Meanwell.
mihaela.tudorascu@ecas.ro;
www.ecas.ro
www.meanwell.com
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro