مقدمه

در طراحی آنالوگ ، ارتباط سینگال و زمین به عنوان یک مشکل اساسی مطرح می شود و می تواند مسائلی برای طراحی دیجیتال نیز ایجاد کند. با این حال ، لغت ” زمین ” به عنوان یک مفهوم کلی، به دلیل بیان کردن سه حالت متفاوت ، می تواند باعث به اشتباه انداختن افراد گردد : زمین کردن بدنه ( chassis ground )، سیگنال گراند ( signal ground ) ، یا ارت کردن ( earth ground ). هر سه زمین کردن، به صورت تئوری اتصال به یک نقطه با ولتاژ صفر را نشان می دهد ، اما در یک زمینه متفاوت هستند : زمین کردن بدنه برای تجهیز ، سیگنال گراند برای سیگنال های دارای ولتاژ بسیار پایین در یک دستگاه و ارت کردن برای یک سیستم قدرت می باشد.

زمین به صورت تئوری دارای ولتاژ صفر می باشد، و در واقعیت تنها یک هادی با امپدانس صفر، دارای ولتاژ صفر است. در حقیقت، سطح زمین معمولا دارای ولتاژهای مختلف در حد ناچیز است. در موارد خاص این مسئله بیشتر نمود پیدا می کند زیرا ولتاژ “صفر” زمین به هیچ عنوان به صفر نزدیک نیست.احتمالا اگر مدار یا دستگاه هنگام شروع به کار جریان بالایی بکشد، یا در مواردی که سطح زمین، هادی یا ریل دارای امپدانس بالا باشد ، به نظر می رسد دیگر قانون اهم برقرار نبوده و V=IR نمی باشد.

زمین کردن بدنه

منظور از زمین کردن بدنه، مجموعه ای از گراندهایی است که در یک نقطه به محفظه فلزی دستگاه الکتریکی متصل می شود.برای جلوگیری از شوک الکتریکی، می توان از زمین کردن بدنه برای محافظت استفاده کرد. ارتینگ اصلی و ریل های۰ ولت، همه به هم وصل شده و در یک نقطه به بدنه متصل شده است. برای مثال، ممکن است یک یا چند لایه هادی همراه با بردهای مدار چاپی چند لایه، به عنوان بدنه زمین شده استفاده شود. زمین کردن بدنه معمولا تنها در یک نقطه ایجاد می شود. این کار مانع از برگشت جریان از مسیرناخواسته قابل دسترس شده و مانع عبور جریان از طریق بدنه می شود. جریانی که از طریق بدنه عبور می کند می تواند یک حلقه زمین (ground loop) ایجاد کند. اگر بدنه تنها در یک نقطه زمین شده باشد، جریان نمی تواند از طریق بدنه عبورکند و ارتباطی بین جریان مغناطیسی و الکتریکی برقرار نمی شود. حلقه های زمین، که موجب القای EMF (نویز) می شوند، برای کاربردهای حساس به نویز مانند ابزار دقیق و لوازم صوتی مشکل ساز هستند.

حلقه زمین

حلقه های زمین اغلب هنگام اتصال چندین تجهیز الکترونیکی به همدیگر رخ می دهد ، زیرا دو زمین به طور دقیق هم پتانسیل نیستند که سبب برقراری جریان شوند، حتی یک اختلاف پتانسیل (ولتاژ) بسیار کم ، سبب جاری شدن جریان از زمین یک تجهیز به دیگر تجهیزات و برگشت به تجهیز اولی از طریق اتصال زمین ایجاد شده توسط شبکه توزیع قدرت، می شود. اگر چه امپدانس یک حلقه زمین، تنها کسر بسیار کوچکی از یک اهم است، ولی همین میزان برای ایجاد مشکلاتی از قبیل نویز و تداخل کافی است. یک راه حل معمولی برای حلقه های زمین ، توزیع ستاره است که در آن نقطه دلخواه “پایین ترین ولتاژ پتانسیل زمین” انتخاب می شود. همه اجزای متصل شده به شبکه ، به وسیله زمین ستاره به هم متصل می شود. اگر یک توزیع ستاره به دقت انجام شود، سیم کشی سیگنال بین تجهیزات زمین شده متصل به ستاره، دارای پتانسیل صفر خواهند بود، بنابراین از ایجاد حلقه های زمین جلوگیری می شود.

 سیگنال گراند

سیگنال گراند یک نقطه مرجع بوده که با توجه به آن، سیگنال های دیگر اندازه گیری می شود و ممکن است بیش از یک زمین مرجع در یک مدار مشخص وجود داشته باشد. برای تجهیزات الکتریکی که باید با دقت سطوح ولتاژ و یا تفاوت های بسیار کوچک را شناسایی کند، مانند دستگاه های پزشکی، استفاده از سیگنال گراند تمیز یا اتصال زمین بدون نویز تزریقی، ضروری است.هنگامی که مسیرهای مختلفی برای جاری شدن برق به زمین وجود داشته باشد، مسیرهای زمین تکراری، جریان های تداخلی را جمع می کنند و جریان را به نوسانات ولتاژ تبدیل می کنند. پس از آن دیگر زمین مرجع سیستم، یک پتانسیل پایدار نیست و نویز بخشی از سیگنال می شود.

مدارهای چاپی (PCB) می توانند شامل مشکلات گراندینگ در برنامه های طراحی اتوماتیک باشند. گراند سیگنال یا ولتاژ مرجع سیگنال ۰ ولت ، باید بر روی PCB بوده و از PCB جدا نشود که در غیر این صورت نویز خارجی جذب می کند.

 ولتاژهای سیگنال بسیار کوچکتر از ولتاژهای ورودی سیستم می باشند ، به عنوان مثال ماژول های قدرت دارای ورودی سیستم شبکه (POE) به این صورت می باشند. عاقلانه ترین کار این است که سیگنال گراند از بدنه یا زمین شبکه جدا باشد. گراند سیگنال قسمت های دیجیتال و آنالوگ یک سیستم ممکن است مجزا باشد. تداخلات اتصال زمین می توانند بر روی سیگنالها، زمانی که سیگنال گراندینگ ورودی از سمت PCB می آید، اثر بگذارند. با این وجود، اگر سیگنالی بسیار بزرگتر از نویز تزریق شده باشد، تداخل اتصال زمین ممکن است نادیده گرفته شود.

ارت کردن

ارت کردن روشی برای حفاظت و ایمنی می باشد، که یک میله (rod) بوده و به سطح زمین وصل می شود. یکی از کاربردهای ارت ، ارت کردن سیستم های الکتریکی خانگی می باشد، که جریان توسط یک سیم ، از مدار اصلی به سمت لوازم و چراغ هایی که برق مصرف می کنند جاری شده و از یک مسیر برگشت توسط سیم نول، به مدار بر می گردد. گراندیگ توسط سیم سومی (سیم ارت)صورت می گیرد و مسیری برای جریان برقرار می کند که به مدار وارد نمی شود. برای مثال، در صورت عدم وجود اتصال زمین ، سیم بدون پوشش می تواند باعث انتقال جریان از طریق بدن فرد به زمین شود ، و در صورت وجود اتصال زمین ، با خیال راحت جریان را به زمین هدایت می کند و انتظار می رود به خاطر جاری شدن بیش از حد جریان به زمین فیوز عمل کند.

در صورت وجود ولتاژ بالا در مدار ، وجود ارتینگ بسیار مهم است. برای مثال در صورتی که تجهیزات الکتریکی دارای قطعه خراب باشد، باعث برقدار شدن بدنه می شود، این تجهیزات ممکن است به دلیل وجود عایق داخلی سیستم به کار خود ادامه دهند ، ولی در صورت لمس بدنه توسط اولین فردی که به بدنه دست بزند مسیری به زمین ایجاد شده و باعث آسیب جدی و حتی مرگ وی می شود. حتی اگر فیوزی در مسیر منبع ولتاژ قرار داشته باشد، بازهم فیوز در حدود چند میکرو یا میلی ثانیه طول می کشد که عمل کرده و مدار را باز کند تا از عبور جریان جلوگیری کند. بنابراین ، ارت و قطع کننده های خطا اغلب جاهایی که ولتاژهای بالا وجود داشته باشندمورد نیاز است.

به طور خلاصه می توان نتیجه گیری کرد:

زمین کردن بدنه برای حفاظت افراد در برابر برق گرفتگی می باشد. این نوع زمین کردن ، حفاظتی است که به زمین ارت متصل می شود. ارت کردن به وسیله یک میله نوک تیزی که در بیرون ساختمان به زمین کوبیده می شود صورت گرفته و باعث انتقال جریان به زمین می شود و زمینی با ولتاژ صفر فراهم می آورد. سیگنال گراند نیازی به متصل شدن به زمین ندارد ، در واقع سیگنال گراند یک مسیر برگشت مشترک برای سیگنال می باشد.