“电路接地”的概念及应用

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  摘 要: “地”是电子技术中一个很重要的概念。“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地,两者概念不同,目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。由于“地”的分类与作用有多种, 容易混淆,特此 总结一下“地”的概念。
  关键词: 信号地;安全地;浮地技术;混合接地
  接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施,同时,接地也是保护人身安全的一种有效手段。随电子通信和其它数字领域的发展,在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通信系统中,大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化,信号频率越来越高,因此,在接地设计中,信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注,否则,接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。
  “接地”有设备内部的信号接地和设备接大地,两者概念不同,目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。
  一、信号“地”又称参考“地”,就是零电位的参考点,也是构成电路信号回路的公共端 。
  (1) 直流地:直流电路“地”,零电位参考点。
  (2) 交流地:交流电的零线。应与地线区别开。
  (3) 功率地:大电流网络器件、功放器件的零电位参考点。
  (4) 模拟地:放大器、采样保持器、A/D转换器和比较器的零电位参考点。
  (5) 数字地:也叫逻辑地,是数字电路的零电位参考点。
  (6) “热地”:开关电源无需使用工频变压器,其开关电路的“地”和市电电网有关,即所谓的“热地”,它是带电的。
  (7) “冷地”:由于开关电源的高频变压器将输入、输出端隔离;又由于其反馈电路常用光电耦合器,既能传送反馈信号,又将双方的“地”隔离;所以输出端的地称之为“冷地”,它不带电。
  设备的信号接地,它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。
  有单点接地,多点接地,浮地和混合接地。
  单点接地是指整个电路系统中只有一个物理点被定义为接地参考点。
  多点接地是指电子设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上。在高频电路中,寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路,常采用多点接地。
  浮地,即该电路的地与大地无导体连接。『 虚地:没有接地,却和地等电位的点。
  其优点是该电路不受大地电性能的影响。
  其缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和 加了对模拟电路的感应干扰。
  2.混合接地
  混合接地使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性,这在宽带敏感电路中是必要的。電容对低频和直流有较高的阻抗,因此能够避免两模块之间的地环路形成。
  二、 设备接大地的目的是:
  1、 从性能分,接地分成四类:安全接地、工作接地(数字地、模拟地、功率器件地)、防浪涌接地、防静电接地。“接地的目的决定了接地方式”,目的即指其实现的功能。基本上所有的接地都可以归结到这四类里面来。
  2、 接地追求的目标是地阻抗低、地稳定、地均衡。
  3、 共地阻抗耦合干扰:共地阻抗耦合干扰是接地里面每天都要面对的核心问题,并且逃避不开。就像电影院里散场的时候,你从最里头的一号厅出来,没几个人,走来很通畅,突然二号厅也散场了,一下子通道就拥挤了,再继续前行,坏了,三号厅正在放观众入场,一下子,人流就波动起来了。这和共地阻抗是一个原理,通道相当于地线,人相当于电流。如果一、二、三号厅流动的人差不多,相互之间影响不太大,但如果3号厅是大厅,人员是一、二号厅的好多倍,那进出三号厅的人员将会对一、二号厅人员流动速度的影响很大。一、二、三号艇的客人都要走过的这段路就成了共地阻抗。
  4、较通用型的接地方法:基本思路是,在设计上,把安全保护地、工作数字地、工作模拟地、工作功率地、雷击浪涌地、屏蔽地先确保各自独立的单独连接,最后在系统联调的时候,再根据各地之间要解决的问题,即根据接地的目的,将这几个地按照下列的之间的联接方式处理下,连接方式包括:
  a地——地间黄绿导线直联:这种接法最好理解,就是简单的使两个地可靠的低阻抗导通。
  b地——地间宽扁平电缆直联:扁平电缆主要是解决上面导线直联不能解决的问题,静电测试工作台的接地电缆不用直线就是这个道理,它在高频下可以实现地阻抗对地导通。
  c地——地间大电阻连接:大电阻的特点是一旦电阻两端出现压差,就会产生很弱的导通电流,把地线上电荷泻放掉之后,最终实现两端的压差=0V,这个特点在希望电荷泻放,但又不希望快速泻放的时候,会表现得淋漓尽致。
  d地——地间磁珠连接:在这里,磁珠的特性需要明确一下,磁珠等同于一个随频率变化的电阻,它表现的是电阻特性,是耗损性质的;电感则是储能性质的,相当于销峰填谷。所以跨接磁珠的地之间一般是有快速小电流波动的状态,因为磁珠会饱和,电流太大了,它消耗不了。一般用在弱信号的地——地之间。
  e地——地间电感连接:电感具有抑制电路状态变化的特性,通过电感的连接,可以销峰填谷,对于有较大电流波动的地——地,跨接电感可以解决这个问题。
  f地——地间小电阻连接:小电阻要解决的问题是增加了一个阻尼,阻碍地电流快速变化的过冲,在电流变化时候,使冲击电流上升沿变缓,相当于晶振输出端、总线输出端为减少过冲振铃的匹配电阻。
  理论上讲地是,如果有一个超级大电容的地层,多少电荷上去都几乎不会引起地层电平的浮动,而且电荷泄放到此地线层的路径阻抗为0的话,具备了这两个特征的地,则是理想的地,但实际上因为超级大电容难实现,而且泄放地线也不可能阻抗为0,才导致出现了形形色色的接地问题。
  结束语
  在现代接地概念中、对于设备设计和维护线路工程师来说,该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’;对于系统设计师来说,它常常是机柜或机架;对电气工程师来说,它是绿色 安全地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。■
  [1]接地与屏蔽技术—电路与干扰,作者Ralph Momison 李献 王艳玲 出版日期2016-03-01.
  [2]屏蔽与接地电磁兼容技术与应用,作者 高攸纲 出版日期2004-11-01.
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