Электроника для начинающих: заземление и возвратные токи

Время чтения: 11 минут

Как мы уже отмечали ранее, величина напряжения — это вещь относительная. К примеру, чтобы сказать, что в определённой точке цепи напряжение равно 10 вольт, обязательно нужно подразумевать, относительно какой точки измеряется это напряжение. Часто некоторую точку цепи определяют как своего рода нулевую точку отсчёта, относительно которой производят все измерения напряжения. Эту точку часто называют общим проводником, «земляным» проводником или просто землёй. Чаще земля обозначается на схемах символом:

К примеру, на уже знакомом рисунке (ниже, слева) показаны различные способы измерения напряжения путём различных точек в качестве земли. Одна батарея обеспечивает разность потенциалов или напряжение 1.5 вольта между клеммами. Мы можем просто определить земляной проводник на отрицательной клемме и затем указать, что положительная клемма находится под напряжением +1.5 В относительно земли. Земляной проводник (в нашем случае отрицательная клемма батареи) станет путём для протекания возвратных токов. Если между клеммами батареи поместить нагрузку, к примеру, лампу или резистор, ток нагрузки вернётся к отрицательной клемме по земляному проводнику.

При таком соединении напряжения батарей складываются, создавая суммарное напряжение +3,0 вольта. При выборе отрицательной клеммы нижней батареи в качестве земли мы получаем показания +1,5 и +3,0 вольта в разных точках. Нагрузка, подключённая к двум батареям (+3,0 вольта), приведёт к возникновению тока нагрузки, который возвращается к отрицательной клемме нижней батареи.

Наконец, можно создать двухполярное питание, просто выбрав в качестве земли среднюю точку соединения батарей. Это даст нам +1,5 и −1,5 вольта относительно земли в разных точках. Во многих схемах требуется как положительное, так и отрицательное напряжение относительно земли. В этом случае земляной проводник действует как общий проводник для возвратных токов. Это часто необходимо, к примеру, в звукоусиливающей аппаратуре, где переменное напряжение звуковой частоты бывает и положительным, и отрицательным.

Символ, показанный на рисунке выше, в электронике используется «направо-налево». Однако, как выясняется, он обозначал только истинное заземление, то есть физическое и электрическое соединение с землёй, посредством проводника, закопанного или вбитого в грунт. По каким-то неведомым причинам этот символ стал использоваться и в электронике для обозначения общего проводника; в зависимости от контекста электрической принципиальной схемы надо понимать, для чего конкретно автор схемы использует этот символ. Но, забегая чуть вперёд, автор спешит сказать, что помимо указанного символа земли, существуют несколько близкородственных символов, которые все «в кучу» могут использоваться в рамках даже одной принципиальной схемы.

Истинное заземление — один или несколько металлических электродов, заглублённых в грунт ниже уровня промерзания. Они подключаются к заземляющей шине вводного электрощита, от которой защитный проводник разводится ко всем розеткам с заземляющим контактом. Заземлять на металлические трубы водопровода или отопления сегодня запрещено.

Земля обладает практически постоянным нулевым электрическим потенциалом, поэтому служит общей точкой отсчёта для электрических цепей. Благодаря этому заземлённые устройства имеют одинаковый потенциал, что повышает стабильность работы оборудования и уменьшает влияние электрических помех. В некоторых приборах, например, портативных мультиметрах, намеренно применяется плавающая земля, позволяющая выполнять измерения независимо от потенциала относительно Земли.

Основная функция защитного заземления — обеспечение электробезопасности. При повреждении изоляции и появлении напряжения на металлическом корпусе ток проходит по низкоомной заземляющей линии, а не через человека, что позволяет защитным устройствам быстро отключить питание.

Кроме того, заземление отводит статический заряд, защищая чувствительные электронные компоненты от электростатического разряда. Поэтому при работе с микросхемами используют антистатические браслеты и коврики, подключённые к заземлению.

Ещё одна важная функция — снижение электромагнитных помех. Заземление обеспечивает путь для отвода наведённых токов, повышая устойчивость электронного оборудования к посторонним воздействиям.

В принципиальных схемах символ заземления (⏚) не всегда обозначает физическое соединение с Землёй. Зачастую он используется как условное обозначение общего проводника (GND), относительно которого измеряются напряжения и по нему же протекают возвратные токи. Это нередко вводит новичков в заблуждение.

Например, у лабораторного блока питания с выводами «+», «−» и «⏚» к истинному заземлению подключены только корпус и соответствующий вывод. Если выход источника гальванически изолирован от земли, и подключить нагрузку между «+» и «⏚», цепь не замкнётся, и ток не потечёт. Правильный вариант — подключить нагрузку между «+» и «−». При необходимости отрицательный вывод можно соединить с клеммой заземления специальной перемычкой, тем самым привязав схему к потенциалу Земли. Во многих устройствах, особенно с батарейным питанием, подобная привязка не требуется.

Для получения двухполярного питания используют два однополярных источника или один двухполярный. Их общие выводы объединяются, образуя общую точку (GND), при необходимости подключаемая к истинному заземлению.

Таким образом, символ ⏚ на электрической схеме может обозначать как общий проводник (GND), так и точку подключения к защитному заземлению. Поэтому его значение следует определять по контексту и документации на устройство.

Чтобы избежать неверного толкования относительно истинного назначения символа заземления ⏚ в конкретной схеме, используются дополнительные, уточняющие, символы. На рисунке ниже показан собственно известный нам символ ⏚ (который может «сыграть в роли» как обозначения общего проводника и точки с нулевым потенциалом, так и истинного заземления), символ подключения к корпусу или шасси (или пути возвратных токов через корпус или шасси), а также пути возвратного тока аналогового и цифрового трактов устройства.

В таблице ниже приведено краткое описание значений этих символов:

Необходимо упомянуть несколько важных моментов.

Опасность поражения электрическим током

При отсутствии защитного заземления на металлическом корпусе оборудования может появиться опасное напряжение из-за токов утечки или повреждения изоляции. Если человек одновременно коснётся такого корпуса и другого заземлённого металлического объекта (например, трубы водопровода или отопления), он рискует получить удар электрическим током. Правильно выполненное заземление выравнивает потенциалы корпуса и Земли, а также открывает путь для аварийного тока, позволяя защитным устройствам быстро отключить питание.

Помехи и шум

Неправильно организованное заземление — одна из самых распространённых причин появления помех в электронных устройствах. Если в системе используется несколько точек, между ними возникает небольшая разность потенциалов, которая приводит к ошибкам измерений и образованию контуров заземления.

Теоретически лучшим решением считается одноточечное заземление, где цепи подключаются к общей точке. Однако в сложной аппаратуре реализовать такой подход трудно, поэтому чаще применяют низкоимпедансные заземляющие шины — толстые медные проводники или полигоны на печатных платах. Они уменьшают падение напряжения и поддерживают стабильный потенциал по всей системе.

В устройствах, содержащих аналоговые и цифровые схемы, обычно используют раздельные аналоговую (AGND) и цифровую (DGND) земли, соединённые в одной точке. Это снижает влияние импульсных токов цифровой части на чувствительные аналоговые цепи.

Причина — любой общий проводник имеет не только сопротивление, но также индуктивность и ёмкость. При прохождении переменных или импульсных токов на нём возникают падения напряжения и высокочастотные помехи, способные исказить аналоговые сигналы. Разделение земель и их соединение в одной точке позволяет значительно уменьшить уровень таких помех.