ما هو GND في الدائرة؟

في استكشاف الدوائر الإلكترونية ، فهم مفهوم GND (الأرض) وأدواره المتعددة في تصميم الدائرة.لا يوفر GND ، كعنصر أساسي في الدوائر الإلكترونية ، النقطة المحتملة المرجعية للدائرة فحسب ، بل تلعب أيضًا دورًا مهمًا في أداء الدائرة واستقرارها وسلامتها.من حماية السلامة الأساسية للأجهزة المنزلية إلى التطبيقات المتقدمة في المعدات الإلكترونية المعقدة ، يتم تقديم دور GND وتنفيذها في العديد من الجوانب وتعقيدها.تهدف هذه المقالة إلى توفير مناقشة متعمقة لأنواع مختلفة من GND ، وكيفية عملها ، وأهميتها في تصميم الدائرة لتوفير منظور شامل لفهم هذا مكون الدائرة الحرج.

ما هو GND (الأرض)؟

GND هو اختصار للأرض.GND يرمز إلى الأرض أو 0 سلك.

يمكن أن تشير الأرض أيضًا إلى الأرض ، وهي ليست أرضية حقيقية ولكنها أرضية مفترضة لأغراض التطبيق.يربط المعدات الكهربائية بالأرض لمنع المستخدم من التعرض للفولتية العالية.

مختلف "الأسس" في الدائرة

التأريض هو ميزة السلامة الأساسية للأنظمة الكهربائية.الغرض الرئيسي من ذلك هو ضمان التشغيل الآمن للمعدات الكهربائية ، وخاصة تلك التي لديها أجسام معدنية ، مثل الثلاجات المنزلية أو الغسالات أو الأفران.حسب التصميم ، لا ينبغي أن يكون جسم هذه الأجهزة حية.ومع ذلك ، في الاستخدام الفعلي ، قد يتم شحن جسم الطائرة بطريق الخطأ بسبب الأخطاء الداخلية مثل الشيخوخة أو تلف مواد العزل.إذا لم يتم تأريض الجهاز ، فسوف يتسبب الجسم الحي بشكل مباشر في خطر الصدمة الكهربائية عند لمس المعدات.لمنع ذلك ، يضمن توصيل جسم المعدات بالأرض عبر موصل أرضي مخصص أن يتم توجيه أي تيار خاطئ بأمان إلى الأرض بدلاً من جسم الإنسان الذي يلمس المعدات.يظهر تكوين أساس المعدات الكهربائية في الشكل أدناه.

تكوين تأريض المعدات الكهربائية

على المستوى الفني ، يعتمد التأريض عادة على اتصال مادي بسلك أرضي أو قضيب أرضي.يتم توصيل أحد نهايات هذه الأسلاك الأرضية بجزء معدني من المعدات ، ويتم توصيل الطرف الآخر بنظام تأريض المبنى أو يتم دفنه مباشرة تحت الأرض.تنشئ طريقة الاتصال هذه بشكل فعال مسارًا آمنًا بحيث في حالة وجود خطأ داخلي ، يتم توجيه أي تيار تم تسريبه بشكل فعال إلى الأرض ، وبالتالي تجنب خطر الصدمة الكهربائية.

في بعض البيئات عالية الخطورة ، بالإضافة إلى دورها الأساسي للسلامة ، يمكن أيضًا استخدام الأساس بالتزامن مع أجهزة السلامة الأخرى ، مثل الأجهزة الحالية للتسرب (RCDs).تتمثل وظيفة هذه الأجهزة في مراقبة ما إذا كان التيار يتدفق داخل وخارج الجهاز متوازنة.إذا تم اكتشاف اختلال التوازن (مما يشير إلى أن التيار قد يتدفق عبر مسارات غير طبيعية أخرى ، مثل جسم الإنسان) ، فإن الجهاز سيقطع على الفور الطاقة لمنع الصدمة الكهربائية.

في المعدات الكهربائية الخاصة ، يلعب التأريض دورًا أكثر تنوعًا ، كما هو الحال في المعدات الطبية أو معدات المختبرات عالية الدقة ، حيث يتم استخدامه ليس فقط لحماية الموظفين ولكن أيضًا لضمان التشغيل الدقيق للمعدات ولمنع التداخل الكهرومغناطيسي.في مثل هذه الحالات ، يجب أن يكون تصميم وتنفيذ التأجير أكثر دقة وتعقيدًا لتلبية متطلبات سلامة وعملية محددة.

يلعب GND دورًا مهمًا للغاية في تصميم الدائرة الإلكترونية.يمكن تحليل دورها بعمق من الأبعاد التقنية التالية:

واحد هو توفير إمكانات مرجعية.يوفر GND عادة نقطة مرجعية مشتركة في الدائرة.يتم قياس جميع الفولتية في الدائرة بالنسبة إلى GND ، مما يعني أن نقطة GND تُعرَّف بأنها نقطة الجهد الصفر.تضمن النقطة المرجعية المحتملة المشتركة مستويات الجهد الصحيحة بين مكونات الدائرة ونقل الإشارة الدقيق.

والثاني هو تكوين مسارات الحلقة الحالية.في أي دائرة ، يجب أن يكون للتيار مسار حلقة كاملة لإنجاز التشغيل المناسب.يوفر GND المسار لتدفق التيار من مصدر الطاقة إلى جزء الحمل من الدائرة (على سبيل المثال ، الترانزستور ، المقاوم ، إلخ) ثم العودة إلى مصدر الطاقة من خلال GND ، مما يشكل مسار حلقة تيار كامل.

والثالث هو التدريب الكهرومغناطيسي (EMI).الدور الأكثر أهمية في GND في تصميم الدائرة هو تقليل التداخل الخارجي ، وخاصة EMI.عن طريق التأريض في الجزء الحساس من الدائرة ، يمكن أن يتم تبديل إشارات التدخل بشكل فعال على الأرض ، وبالتالي حماية الدائرة من EMI.

الرابع هو تحسين أداء واستقرار الدائرة.يمكن لتصميم الأساس الجيد تحسين الأداء الكلي للدائرة واستقرارها.يمكن أن يؤدي استخدام استراتيجية التأريض المتعددة النجوم أو التعددية إلى تقليل الاختلافات المحتملة الناجمة عن الأسلاك الأرضية ، وبالتالي تقليل الضوضاء والتشويه في مسار الإشارة.على سبيل المثال ، في الدوائر الرقمية عالية السرعة ، يمكن أن تقلل طرق التأريض الصحيحة من انعكاسات الإشارات وعملها ، وبالتالي تحسين سلامة الإشارة.

الخامس هو آلية حماية الأمن.في حالة وجود حالة خطأ ، مثل الدائرة القصيرة أو المعدات التالفة ، يوفر GND مسارًا آمنًا للتيار للتفريغ.هذا يساعد بسرعة على تحويل التيار الزائد ، ومنع الحرائق الكهربائية أو تلف المعدات.بالإضافة إلى ذلك ، يساعد التأريض على ضمان سلامة المشغل ويمنع خطر الصدمة الكهربائية بسبب فشل الجهاز.

من خلال التحليل أعلاه ، يمكننا أن نرى أن GND ليس فقط عنصرًا أساسيًا في تصميم الدوائر الإلكترونية ولكن أيضًا مفتاح الحفاظ على أداء الدائرة والاستقرار والسلامة.أثناء عملية التصميم ، يكون للأنواع المختلفة من الدوائر متطلبات مختلفة لـ GND.لذلك ، يجب على المهندسين النظر بعناية في استراتيجية التأريض لضمان تحسين وسلامة تصميم الدائرة.سواء في تصميم الدوائر البسيطة أو تكامل النظام المعقد ، فإن استراتيجية التأريض المعقولة هي الأساس لتحقيق المنتجات الإلكترونية الفعالة والموثوقة والآمنة.

4.1 AGND الأرض التناظرية

يستخدم AGND الأرض التناظرية بشكل أساسي في الدوائر التناظرية ، وخاصة في التطبيقات التي تنطوي على إشارات تمثيلية ضعيفة ، مثل دوائر اكتساب ADC ودوائر المضخم التشغيلي.في مثل هذه الدوائر ، نظرًا لحساسية وضعف الإشارات التناظرية ، فهي عرضة للغاية للتداخل الحالي الكبير من الدوائر الأخرى.بدون وجود AGND مخصص ، قد تنتج هذه التيارات الكبيرة انخفاضات كبيرة في الجهد في الدوائر التناظرية ، مما يسبب تشويه الإشارة وحتى فشل الدائرة في الحالات الشديدة.لذلك ، فإن وجود AGND مهم للحفاظ على سلامة ودقة الإشارات التناظرية.

4.2 DGND الأرضية الرقمية

يختلف DGND الرقمي DGND عن AGND الأرضي التناظرية ، وخاصة في التطبيقات في الدوائر الرقمية ، مثل دوائر الكشف الرئيسية ، ودوائر اتصال USB ، ودوائر متحكم.تتمثل السمة الأساسية للدوائر الرقمية في أن الإشارات التي تعالجها منفصلة ، مما يعني أن الإشارة تتغير بين حالتين فقط ، وعادة ما يتم تحديدها على أنها رقمية "0" و Digital "1."كما هو موضح أدناه.

معالجة الدائرة الرقمية

تتوافق هذه الحالات مع مستويات الجهد المختلفة ، وعادة ما تمثل "0" مستوى منخفض ، ويمثل "1" مستوى عالٍ.تحدث التغييرات السريعة في الجهد عندما تتحول الدائرة الرقمية من حالة "0" إلى حالة "1" أو العكس.لا تنطوي هذه التغييرات على الجهد نفسه فحسب ، بل أيضًا التغييرات المصاحبة في التيار.وفقًا لنظرية Maxwell الكهرومغناطيسية ، تولد التغييرات في هذا التيار مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا حوله ، والذي بدوره يخلق التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ، والذي يمكن أن يسبب تداخلًا للمكونات الأخرى في الدائرة أو للدوائر المجاورة.لتقليل تأثير هذا التداخل الكهرومغناطيسي على الأداء الكلي للدائرة ، يستخدم المصممون عادةً DGND رقمي مستقل.بالمقارنة مع الأرض التناظرية (AGND) ، تم تصميم DGND خصيصًا للدوائر الرقمية لتوفير نقطة مرجعية ثابتة وعزل التداخل الكهرومغناطيسي الناتج عن الإشارات الرقمية.هذا يساعد على تقليل مستوى الضوضاء الكلي للدائرة ، وبالتالي تحسين سلامة الإشارة وموثوقية الدائرة.

في أنظمة الدوائر المعقدة ، وخاصة تلك التي تحتوي على كل من الأجزاء التناظرية والرقمية ، من المهم التمييز بين DGND و AGND.نظرًا لأن الإشارات التناظرية أكثر حساسية للضوضاء ، فإن فصل DGND و AGND يمكن أن يضمن عدم تأثر الجزء التناظري بالتداخل الكهرومغناطيسي الناجم عن تبديل الإشارة الرقمية.أثناء عملية تصميم وتخطيط لوحة الدوائر (PCB) ، يجب مراعاة وضع DGNDs بعناية لتجنب تشكيل الحلقات ، والتي يمكن أن تسبب تداخل حلقة تيار.تساعد DGNDs الموضوعة بشكل صحيح على تحسين تكامل الإشارة وتقليل التداخل المشع والتجري.

4.3 POWER GNED PGND

في حياتنا ، سيتم تقسيم الدوائر إلى دوائر منخفضة الطاقة ودوائر الطاقة العالية.AGND الأرضية التناظرية أو DGND الرقمية المذكورة أعلاه هي دوائر منخفضة الطاقة.بالنسبة إلى هذه الدوائر عالية الطاقة مثل دوائر محرك السيارات ، ودوائر محرك الصمام الملف اللولبي ، وما إلى ذلك ، هناك أيضًا أرض مرجعية خاصة تسمى POWER GNED PGND.في الدوائر ذات الطاقة العالية ، يكون لحجم التيار وتغيره تأثير أكثر وضوحًا على نظام التأريض مقارنة بالدوائر منخفضة الطاقة.لذلك ، بالمقارنة مع AGND الأرضية المنخفضة الطاقة أو DGND الأرضية الرقمية ، يمكن القول أن PGND Power GGND مصمم خصيصًا للتعامل مع هذه التيارات العالية وضمان استقرار الدائرة.

في هذه الدوائر عالية الطاقة ، يمكن أن تؤدي الزيادة الكبيرة في التيار بسهولة إلى إزاحة الأرض بين الدوائر الوظيفية المختلفة.يحدث هذا التحول عندما تعاني نقطة المرجع الأرضية (GND) من انخفاض الجهد بسبب مرور تيار مرتفع.على سبيل المثال ، لنفترض أن الدائرة مصممة تتطلب جهدًا مستقرًا قدره 5V ، ولكن بسبب الإزاحة في الأرض.في هذه الحالة ، قد ترتفع نقطة مرجع GND من 0V إلى 1V ، مما سيؤدي إلى انخفاض الجهد الفعلي إلى 4V (5V-1V = 4V) ، مما يؤثر على الأداء الكلي وموثوقية الدائرة.لذلك ، عند تصميم دوائر عالية الطاقة ، يجب إيلاء اهتمام خاص لتخطيط وتنفيذ PGND.يمكن أن يقلل تصميم PGND المناسب من آثار إزاحة الأرض وضمان استقرار مصدر الطاقة.حاول استخدام الأسلاك السميكة ، أو طبقات التأريض المخصصة ، أو تصميم نقاط تأريض متعددة لنشر التيار ، مما يقلل من انخفاض الجهد عند نقطة واحدة.

بالإضافة إلى ذلك ، يساعد PGND أيضًا في تقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) الناجم عن التيارات العالية.من خلال توفير مرجع أرضي مستقر ، يساعد PGND في تقليل الضوضاء والتداخل في الدوائر ، وخاصة في التطبيقات التي يكون فيها التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) اعتبارًا خاصًا.

4.4 Power Ground GND

ينتمي AGND الأرضي التناظرية ، DGND الرقمية ، و POWER GNED PGND إلى فئة DC GROND GND.تتجمع هذه الأنواع المختلفة من الأسس في النهاية لتشكيل أرض مرجعية 0V للدائرة بأكملها ، وهي GND الأرضية.الجهد والتيار من جميع الدوائر ينشأ من مصدر الطاقة.لذلك ، يصبح GND لمصدر الطاقة الأساس ونقطة انطلاق جميع الدوائر.وهذا ما يفسر سبب حاجة إلى تجميع أنواع مختلفة من الأسس في نهاية المطاف إلى GND الأرضية لضمان الاتساق العام للدائرة واستقرارها.

4.5 Exchange Place CGND

عادةً ما يظهر AC Ground CGND في مشاريع الدوائر التي تحتوي على مصادر طاقة التيار المتردد ، مثل AC-DC في الشكل أدناه.في هذه الدوائر ، نظرًا لأن الجزء الأمامي من الدائرة هو جزء التيار المتردد ويتم تحويل الجزء الخلفي إلى العاصمة ، يتم تشكيل نقطتين أرضي مختلفان حتما: واحدة لجزء التيار المتردد والآخر للجزء DC.لضمان اتساق الدائرة ، عادة ما يربط المهندسون النقطتين الأرضيين من خلال مكثف اقتران أو محث لتوحيد أرض التيار المتردد وأرض DC.

DC و AC

4.6 الأرض egnd

يعتبر جهد سلامة جسم الإنسان عمومًا أقل من 36 فولت.عندما يتجاوز الجهد هذا العتبة ، قد يسبب ضررًا إذا تم تطبيقه على جسم الإنسان.لذلك ، عند تصميم دوائر عالية الجهد وعالية الجهد ، غالبًا ما يقوم المهندسون بتنفيذ EGND لتعزيز السلامة.هذا أمر شائع في دوائر الأجهزة المنزلية مثل المشجعين والثلاجات وأجهزة التلفزيون.يظهر مقبس مع حماية EGND الأرض في الشكل أدناه.

مقبس مع حماية EGND الأرض

220V AC يتطلب فقط الأسلاك الحية والمحايدة.لماذا تحتوي مآخذ الأجهزة المنزلية على 3 محطات؟

عادة ، يتطلب مصدر طاقة AC 220 فولت فقط سلكين: سلك ساخن (سلك ساخن) وسلك محايد (سلك محايد).عادة ما تشمل مآخذ الأجهزة المنزلية محطة ثالثة ، سلك الأرض الأرضي EGND.إن إضافة هذه المحطة الثالثة ، على الرغم من أنها لا تشارك في الوظيفة الرئيسية للدائرة ، توفر حماية حرجة للسلامة.عندما يحدث خطأ داخل الجهاز الكهربائي ، مثل تلف العزل الذي يتسبب في أن يصبح الجسم كهربة ، فإنه يوفر مسارًا آمنًا للهروب للتيار.وبهذه الطريقة ، يتم توجيه أي تيار خاطئ إلى الأرض بدلاً من جسم الإنسان الذي يلمس الجهاز ، مما يقلل بشكل كبير من خطر الصدمة الكهربائية.لذلك ، هناك اختلاف واضح في الدائرة معنى بين EGND وأنواع أخرى من الأسلاك الأرضية GND.لا يشارك EGND مباشرة في الوظيفة الرئيسية للدائرة.تم تصميمه على وجه التحديد لتعزيز السلامة ، وهو يتصل بالأرض لتوفير نقطة مرجعية أرضية مستقرة وإجراء الكهرباء خلال الظروف غير الطبيعية لحماية المعدات والمستخدمين من الفولتية العالية.

لا يقتصر تطبيق EGND في تصميم الدائرة على الأجهزة المنزلية.EGND هو مقياس أمان ضروري في أي تصميم دائرة يتضمن الجهد العالي أو التيار.يساعد في ضمان الحفاظ على السلامة التشغيلية حتى في حالة فشل المعدات أو غيرها من الظروف غير العادية.

في تصميم الدوائر الإلكترونية ، يبدو مفهوم GND للأسلاك الأرضية بسيطًا ، لكنه يحتوي على مجموعة متنوعة من الوظائف والتصنيفات المختلفة ، مما يجعل مشكلة الدائرة البسيطة على ما يبدو معقدة للغاية.فلماذا يوجد الكثير من التقسيمات الفرعية لوظائف التأريض GND؟بشكل عام ، عندما يقوم المهندسون بتصميم الدوائر ، فإنهم غالبًا ما يذكرون جميع أسلاك GND الأرضية ببساطة مثل GND ولا يميزونها في التصميم التخطيطي.على الرغم من أن هذا النهج بسيط في التشغيل ، إلا أنه سيؤدي إلى سلسلة من المشكلات ، خاصة في مرحلة الأسلاك PCB ، حيث يصعب تحديد الأسلاك المطحونة GND الخاصة والتعامل معها بشكل فعال.

فيما يتعلق بمسألة الحديث المتبادل ، عندما يتم توصيل GNDs من الوظائف المختلفة مباشرة ، خاصةً عندما يتم خلط GND لدائرة الطاقة العالية مع GND لدائرة الطاقة المنخفضة ، فقد يكون لها تأثير على النقطة المرجعية 0V مندائرة الطاقة المنخفضة.يمكن أن تتسبب طريقة الأسلاك هذه بسهولة في الحديث المتبادل بين الدوائر المختلفة ، مما يؤثر على أداء الدائرة.على سبيل المثال ، في نظام يحتوي على دوائر رقمية عالية السرعة ودوائر تمثيلية دقيقة ، إذا تمت مشاركة نفس GND ، فإن عمليات التبديل عالي التردد في الدوائر الرقمية قد تتسبب في تقلبات كبيرة في الجهد على مسار GND المشترك.تنتشر هذه التقلبات من خلال مسار GND ، مما يؤثر على أداء الدوائر التناظرية.لذلك ، من المثالي استخدام طائرات GND منفصلة أو آثار لتقليل هذا التداخل المتبادل.

عند تصميم أنظمة الدوائر الأكثر تعقيدًا ، تصبح إدارة GND أكثر تعقيدًا.على سبيل المثال ، في مشروع نظام الدائرة الذي يتضمن كل من الأنظمة الفرعية التناظرية والرقمية ، عندما يتم توصيل AGND للدائرة التناظرية بـ CGND لمصدر طاقة التيار المتردد ، قد يتأثر استقرار AGND بالتغيرات الدورية في CGND.يتقلب الجهد في CGND من إمدادات طاقة التيار المتردد بشكل دوري ، في حين أن GND الأرض DC لا يزال ثابتًا عند 0V.قد ينتشر هذا التقلب إلى الدائرة التناظرية ، مما يسبب انحرافات في الجهد المرجعي.لتجنب ذلك ، يتمثل النهج الشائع في استخدام تقنيات العزل أو استخدام مستوى AGND منفصل لضمان دقة الإشارة ودقة.

يعد التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) اعتبارًا مهمًا في تصميم الدائرة ، كما أن تخطيط GND له أيضًا تأثير كبير على EMC.عندما يتم توصيل GNDs للدوائر المختلفة ، قد تتداخل الدائرة ذات الإشارة الأقوى مباشرة مع الدائرة مع الإشارة الأضعف.قد يتسبب هذا التداخل في أن تصبح الدائرة مع الإشارة الأضعف مصدرًا للإشعاع الكهرومغناطيسي من مصدر خارجي أقوى ، مما يجعل معالجة EMC أكثر صعوبة.إذا كنت قلقًا بشأن هذا النوع من المشكلات ، ففكر في تقنيات مثل التصفية والدرع ومحاذاة GND المخصصة أثناء التصميم لتقليل حدوث مواقف التداخل هذه.

مرشح EMC

أخيرًا ، كلما انخفضت اتصالات الإشارة بين أنظمة الدوائر ، زادت قدرتها على العمل بشكل مستقل.على العكس من ذلك ، كلما زاد عدد اتصالات الإشارة ، زادت قدرة كل نظام دائرة على العمل بشكل مستقل.إذا كانت الأسلاك الأرضية للدوائر ذات الوظائف المختلفة متصلة ، فإنها تعادل إضافة رابط تداخل محتمل بين الدوائر ، مما قد يقلل من الموثوقية الكلية للدائرة.على سبيل المثال ، إذا لم يكن هناك تقاطع بين نظامين للدوائر A و B ، فلن تؤثر وظائف النظام A على التشغيل العادي للنظام B ، والعكس صحيح.ولكن إذا تم خلط الأسلاك الأرضية لهذه الأنظمة ، فقد يتم إدخال التداخل غير الضروري ، مما يؤثر على استقرار وموثوقية الدائرة.

بشكل عام ، يتجاوز دور GND في تصميم الدائرة الإلكترونية نقطة التأريض البسيطة.من ضمان السلامة الكهربائية الأساسية إلى ضمان التشغيل الدقيق والمستقر للدوائر ، لا يمكن تجاهل أهمية GND.إنها تصنيفات متعددة ومبادئ العمل المعقدة تتطلب من المهندسين تبني استراتيجيات متطورة ومدروسة عند تصميم وتنفيذ الدوائر.سواء في الأجهزة الكهربائية العادية في الحياة اليومية أو منتجات التكنولوجيا المتطورة ، فإن استراتيجية التأريض المعقولة هي الأساس لتحقيق منتجات إلكترونية فعالة وموثوقة وآمنة.لذلك ، بالنسبة لأي مشروع يتضمن دوائر إلكترونية ، يعد الفهم الشامل لخصائص GND وتطبيقاتها مفتاح التصميم الناجح.