O que é GND no circuito?

Ao explorar os circuitos eletrônicos, entenda o conceito de GND (terra) e seus múltiplos papéis no design do circuito.O GND, como um elemento básico em circuitos eletrônicos, não apenas fornece o ponto potencial de referência do circuito, mas também desempenha um papel importante no desempenho, estabilidade e segurança do circuito.A partir da proteção básica da segurança dos eletrodomésticos a aplicações avançadas em equipamentos eletrônicos complexos, a função e a implementação do GND são apresentadas em muitos aspectos e sua complexidade.Este artigo tem como objetivo fornecer uma discussão aprofundada dos diferentes tipos de GND, como eles funcionam e sua importância no design do circuito para fornecer uma perspectiva abrangente sobre a compreensão desse componente de circuito crítico.

O que é GND (terra)?

GND é a abreviação do solo.GND significa terra ou 0 fio.

O solo também pode se referir à Terra, que não é um terreno verdadeiro, mas um terreno assumido para fins de aplicação.Conecta equipamentos elétricos ao solo para impedir que o usuário seja exposto a altas tensões.

Vários 'motivos' no circuito

O aterramento é um recurso de segurança central dos sistemas elétricos.Seu principal objetivo é garantir a operação segura de equipamentos elétricos, especialmente aqueles com corpos metálicos, como geladeiras domésticas, máquinas de lavar ou fornos.Por design, o corpo desses dispositivos não deve estar ao vivo.No entanto, no uso real, a fuselagem pode ser cobrada acidentalmente devido a falhas internas, como envelhecimento ou danos aos materiais de isolamento.Se o equipamento não estiver aterrado, o corpo vivo causará diretamente o risco de choque elétrico ao tocar no equipamento.Para evitar isso, conectar o corpo do equipamento ao solo por meio de um condutor de terra dedicado garante que qualquer corrente mal direcionada seja direcionada com segurança ao solo, e não através do corpo humano que toca o equipamento.A composição do aterramento do equipamento elétrico é mostrada na figura abaixo.

A composição do aterramento de equipamentos elétricos

Em um nível técnico, o aterramento normalmente se baseia em uma conexão física com um fio de terra ou haste de aterramento.Uma extremidade desses fios de terra é conectada a uma parte metal do equipamento e a outra extremidade é conectada ao sistema de aterramento do edifício ou é enterrada diretamente no subsolo.Esse método de conexão cria efetivamente um caminho seguro para que, no caso de uma falha interna, qualquer corrente vazada seja efetivamente direcionada ao solo, evitando assim o risco de choque elétrico.

Em alguns ambientes de alto risco, além de sua função básica de segurança, o aterramento também pode ser usado em conjunto com outros dispositivos de segurança, como dispositivos de corrente de vazamento (RCDs).A função desses dispositivos é monitorar se a corrente fluindo e sai do dispositivo é equilibrada.Se um desequilíbrio for detectado (indicando que a corrente pode estar fluindo através de outros caminhos anormais, como o corpo humano), o dispositivo cortará imediatamente a energia para evitar choques elétricos.

Em equipamentos elétricos especiais, o aterramento desempenha um papel mais variado, como em equipamentos médicos ou equipamentos de laboratório de alta precisão, onde é usado não apenas para a proteção do pessoal, mas também para garantir a operação precisa do equipamento e para evitar a interferência eletromagnética.Nesses casos, o design e a implementação do aterramento precisam ser mais precisos e complexos para atender aos requisitos específicos de segurança e funcionais.

O GND desempenha um papel muito importante no design do circuito eletrônico.Seu papel pode ser analisado em profundidade a partir das seguintes dimensões técnicas:

Um é fornecer um potencial de referência.O GND geralmente fornece o ponto de potencial de referência comum em um circuito.Todas as tensões em um circuito são medidas em relação ao GND, o que significa que o ponto GND é definido como o ponto de tensão zero.Um ponto de potencial de referência comum garante níveis de tensão corretos entre os componentes do circuito e a transmissão precisa do sinal.

O segundo é a formação dos caminhos de loop atual.Em qualquer circuito, a corrente deve ter um caminho completo para realizar a operação adequada.O GND fornece o caminho para que a corrente flua da fonte de alimentação para a parte de carga do circuito (por exemplo, transistor, resistor etc.) e depois de volta à fonte de alimentação através do GND, formando um caminho completo de loop de corrente.

O terceiro é a blindagem de interferência eletromagnética (EMI).O papel mais importante do GND no design do circuito é reduzir a interferência externa, especialmente o EMI.Ao aterrar a porção sensível do circuito, os sinais interferentes podem ser efetivamente desviados para o solo, protegendo assim o circuito do EMI.

O quarto é melhorar o desempenho e a estabilidade do circuito.Um bom design de aterramento pode melhorar significativamente o desempenho e a estabilidade geral do circuito.O uso de uma estratégia de aterramento em terra ou vários pontos pode minimizar as possíveis diferenças causadas por fios aterrados, reduzindo assim o ruído e a distorção no caminho do sinal.Por exemplo, em circuitos digitais de alta velocidade, os métodos de aterramento corretos podem reduzir as reflexões e a interferência de sinal, melhorando assim a integridade do sinal.

O quinto é o mecanismo de proteção de segurança.No caso de uma condição de falha, como um curto -circuito ou equipamento danificado, o GND fornece um caminho seguro para a corrente descarregar.Isso ajuda a derramar rapidamente o excesso de corrente, impedindo incêndios elétricos ou danos ao equipamento.Além disso, o aterramento ajuda a garantir a segurança do operador e evita o risco de choque elétrico devido à falha do equipamento.

Através da análise acima, podemos ver que o GND não é apenas um elemento básico no design do circuito eletrônico, mas também a chave para manter o desempenho, a estabilidade e a segurança do circuito.Durante o processo de design, diferentes tipos de circuitos têm requisitos diferentes para o GND.Portanto, os engenheiros devem considerar cuidadosamente a estratégia de aterramento para garantir a otimização e a segurança do projeto do circuito.Seja em design simples de circuito ou integração complexa do sistema, uma estratégia de fundamento razoável é a base para obter produtos eletrônicos eficientes, confiáveis ​​e seguros.

4.1 AGND ANALÓGICO DE TERRO

O AGND do solo analógico é usado principalmente em circuitos analógicos, especialmente em aplicações envolvendo sinais analógicos fracos, como circuitos de aquisição de ADC e circuitos de amplificadores operacionais.Em tais circuitos, devido à sensibilidade e fraqueza dos sinais analógicos, eles são extremamente suscetíveis à grande interferência de corrente de outros circuitos.Sem um AGND dedicado, essas grandes correntes podem produzir quedas significativas de tensão nos circuitos analógicos, causando distorção do sinal e até falha no circuito em casos graves.Portanto, a presença de AGND é significativa para manter a integridade e a precisão dos sinais analógicos.

4.2 DGND DIGITAL DGND

O DGND de terra digital é diferente do AGND analógico, especialmente em aplicações em circuitos digitais, como circuitos de detecção de chave, circuitos de comunicação USB e circuitos de microcontrolador.Uma característica central dos circuitos digitais é que os sinais que eles processam são discretos, o que significa que o sinal muda entre apenas dois estados, geralmente identificados como um digital "0" e um digital "1."Como mostrado abaixo.

Processamento de circuito digital

Esses estados correspondem a diferentes níveis de tensão, geralmente "0" representa um nível baixo e "1" representa um nível alto.Mudanças rápidas na tensão ocorrem quando um circuito digital muda de um estado "0" para um estado "1" ou vice -versa.Essas mudanças envolvem não apenas a tensão em si, mas também as mudanças que o acompanham na corrente.De acordo com a teoria eletromagnética de Maxwell, as mudanças nessa corrente geram um campo magnético em mudança, que por sua vez cria interferência eletromagnética (EMI), que pode causar interferência a outros componentes no circuito ou a circuitos adjacentes.Para reduzir o impacto dessa interferência eletromagnética no desempenho geral do circuito, os designers geralmente usam um DGND digital independente.Comparado ao solo analógico (AGND), o DGND é projetado especialmente para circuitos digitais para fornecer um ponto de referência estável e isolar efetivamente a interferência eletromagnética gerada por sinais digitais.Isso ajuda a reduzir o nível geral de ruído do circuito, melhorando assim a integridade do sinal e a confiabilidade do circuito.

Em sistemas de circuitos complexos, especialmente aqueles que contêm peças analógicas e digitais, é importante distinguir entre DGND e AGND.Como os sinais analógicos são mais sensíveis ao ruído, a separação de DGND e AGND pode garantir que a parte analógica não seja afetada pela interferência eletromagnética causada pela comutação de sinal digital.Durante o projeto de projeto e layout da placa de circuito (PCB), a colocação do DGNDS precisa ser cuidadosamente considerada para evitar a formação de loops, o que pode causar interferência de loop atual.O DGNDS devidamente colocado ajuda a otimizar a integridade do sinal e a reduzir a interferência irradiada e conduzida.

4.3 PGND GOLD POWER

Em nossas vidas, os circuitos serão divididos em circuitos de baixa potência e circuitos de alta potência.O AGND do solo analógico ou o DGND digital mencionado acima são circuitos de baixa potência.Para esses circuitos de alta potência, como circuitos de acionamento de motor, circuitos de acionamento de válvula solenóide, etc., também há um campo de referência especial chamado PGND do solo de energia.Nos circuitos de alta potência, a magnitude e a variação da corrente têm um efeito mais pronunciado no sistema de aterramento do que nos circuitos de baixa potência.Portanto, em comparação com o AGND do solo analógico de baixa potência ou o DGND de terra digital, pode-se dizer que o PGND do solo de energia é especialmente projetado para lidar com essas altas correntes e garantir a estabilidade do circuito.

Nestes circuitos de alta potência, o aumento significativo da corrente pode resultar facilmente em compensação do solo entre diferentes circuitos funcionais.Essa mudança ocorre quando o ponto de referência do solo (GND) experimenta uma queda de tensão devido à alta passagem de corrente.Por exemplo, suponha que seja projetado um circuito que exija uma tensão estabilizada de 5V, mas devido a um deslocamento no solo.Nesse caso, o ponto de referência do GND pode subir de 0V para 1V, o que fará com que a tensão real caia para 4V (5V-1V = 4V), afetando assim o desempenho e a confiabilidade geral do circuito.Portanto, ao projetar circuitos de alta potência, é necessário prestar atenção especial ao layout e implementação do PGND.O design adequado do PGND pode minimizar os efeitos do deslocamento do solo e garantir a estabilidade da fonte de alimentação.Tente usar fios mais espessos, camadas de aterramento dedicadas ou projetar vários pontos de aterramento para espalhar a corrente, reduzindo assim a queda de tensão em um único ponto.

Além disso, o PGND também ajuda a reduzir a interferência eletromagnética (EMI) causada por altas correntes.Ao fornecer uma referência estável no solo, o PGND ajuda a reduzir o ruído e a interferência em circuitos, especialmente em aplicações em que a compatibilidade eletromagnética (EMC) é uma consideração especial.

4.4 Power Ground GND

AGND analógico AGND, DGND DIGITAL DGND e POWER GOLD PGND pertencem à categoria de GND de terra DC.Esses diferentes tipos de terrenos acabam se reúne para formar o campo de referência de 0V para todo o circuito, que é o GND do solo de energia.A tensão e a corrente de todos os circuitos se originam da fonte de alimentação.Portanto, o GND da fonte de alimentação se torna a base e o ponto de partida de todos os circuitos.Isso explica por que diferentes tipos de fundamentos precisam ser reunidos para o GND de energia para garantir a consistência e a estabilidade geral do circuito.

4.5 troca local CGND

A CGN de ​​terra CA geralmente aparece em projetos de circuito contendo fontes de energia CA, como o AC-DC na figura abaixo.Nesses circuitos, como a parte frontal do circuito é a parte CA e a parte traseira é convertida em CC, dois pontos de solo diferentes são inevitavelmente formados: um para a parte CA e outro para a parte CC.Para garantir a consistência do circuito, os engenheiros geralmente conectam os dois pontos de terra através de um capacitor ou indutor de acoplamento para unificar o solo CA e o solo CC.

DC e AC

4.6 EGND TERRADO

A tensão de segurança do corpo humano é geralmente considerada uma tensão inferior a 36V.Quando a tensão excede esse limiar, pode causar danos se aplicado a um corpo humano.Portanto, ao projetar circuitos de alta tensão e alta corrente, os engenheiros geralmente implementam o EGND para aumentar a segurança.Isso é comum em circuitos de eletrodomésticos, como fãs, geladeiras e televisões.Um soquete com proteção EGND em terra é mostrado na figura abaixo.

Socoque com proteção EGND em terra

220V CA requer apenas fios vivos e neutros.Por que os soquetes de eletrodomésticos têm 3 terminais?

Normalmente, uma fonte de alimentação CA de 220V requer apenas dois fios: um fio quente (fio quente) e um fio neutro (fio neutro).Os soquetes para aparelhos domésticos geralmente incluem um terceiro terminal, o fio terrestre egnd.A adição deste terceiro terminal, embora não participe da principal função do circuito, fornece proteção crítica à segurança.Quando uma falha ocorre dentro do aparelho elétrico, como danos ao isolamento que causam a eletrificada do corpo, ele fornece um caminho de fuga seguro para a corrente.Dessa forma, qualquer corrente mal direcionada é direcionada ao solo, e não pelo corpo humano tocando o dispositivo, reduzindo bastante o risco de choque elétrico.Portanto, há uma clara diferença no significado do circuito entre EGND e outros tipos de fios de terra GND.O EGND não está diretamente envolvido na função principal do circuito.Projetado especificamente para aumentar a segurança, ele se conecta à Terra para fornecer um ponto de referência estável no solo e conduz eletricidade durante condições anormais para proteger equipamentos e usuários de altas tensões.

A aplicação do EGND no projeto do circuito não se limita a eletrodomésticos.O EGND é uma medida de segurança necessária em qualquer projeto de circuito que envolva alta tensão ou corrente.Ajuda a garantir que a segurança operacional seja mantida mesmo no caso de falha do equipamento ou outras circunstâncias incomuns.

No design do circuito eletrônico, o conceito de fio de terra GND parece simples, mas contém uma variedade de funções e classificações diferentes, o que torna um problema de circuito aparentemente simples bastante complicado.Então, por que existem tantas subdivisões das funções de aterramento do GND?De um modo geral, quando os engenheiros projetam circuitos, geralmente nomeiam todos os fios do GND simplesmente como GND e não os distinguem no design esquemático.Embora essa abordagem seja simples em operação, causará uma série de problemas, especialmente no estágio de fiação da PCB, onde é difícil identificar e lidar efetivamente os fios de terra GND de diferentes funções de circuito.

Em relação à questão da diafonia de sinal, quando os gnds de diferentes funções são diretamente conectados, especialmente quando o GND de um circuito de alta potência é misturado com o GND de um circuito de baixa potência, pode ter um impacto no ponto de referência 0V docircuito de baixa potência.Esse método de fiação pode causar facilmente a diafonia de sinal entre diferentes circuitos, afetando o desempenho do circuito.Por exemplo, em um sistema contendo circuitos digitais de alta velocidade e circuitos analógicos de precisão, se o mesmo GND for operações de comutação de alta frequência compartilhadas nos circuitos digitais podem causar flutuações significativas de tensão no caminho GND compartilhado.Essas flutuações se propagam através do caminho GND, afetando o desempenho dos circuitos analógicos.Portanto, é ideal usar planos ou traços GND separados para reduzir essa interferência mútua.

Ao projetar sistemas de circuito mais complexos, o gerenciamento do GND se torna mais complexo.Por exemplo, em um projeto de sistema de circuito que inclui subsistemas analógicos e digitais, quando o AGND de um circuito analógico é conectado ao CGND de uma fonte de alimentação CA, a estabilidade do AGND pode ser afetada por alterações periódicas no CGND.A tensão no CGND da fonte de alimentação CA flutua periodicamente, enquanto o GND de terra DC geralmente permanece constante em 0V.Essa flutuação pode se propagar para o circuito analógico, causando desvios na tensão de referência.Para evitar isso, uma abordagem comum é usar técnicas de isolamento ou usar um plano AGND separado para garantir precisão e precisão do sinal.

A compatibilidade eletromagnética (EMC) é uma consideração importante no projeto do circuito, e o layout do GND também tem um impacto significativo na EMC.Quando os GNDs de diferentes circuitos são conectados, o circuito com o sinal mais forte pode interferir diretamente no circuito com o sinal mais fraco.Essa interferência pode fazer com que o circuito com o sinal mais fraco se torne uma fonte de radiação eletromagnética de uma fonte externa mais forte, dificultando o manuseio do circuito EMC.Se você estiver preocupado com esse tipo de problema, considere técnicas como filtragem, proteção e alinhamentos dedicados ao GND durante o projeto para minimizar a ocorrência de tais situações de interferência.

Filtro EMC

Finalmente, quanto menos conexões de sinal entre os sistemas de circuito, maior a capacidade de operar de forma independente.Pelo contrário, quanto mais conexões de sinal existem, mais fraca a capacidade de cada sistema de circuito funcionar de forma independente.Se os fios do solo de circuitos com diferentes funções estiverem conectados, é equivalente a adicionar um potencial link de interferência entre os circuitos, o que pode reduzir a confiabilidade geral do circuito.Por exemplo, se não houver interseção entre dois sistemas de circuito A e B, a funcionalidade do sistema A não afetará a operação normal do sistema B e vice -versa.Mas se os fios terrestres desses sistemas forem misturados, poderão ser introduzidas interferências desnecessárias, afetando a estabilidade e a confiabilidade do circuito.

No geral, o papel do GND no design do circuito eletrônico vai muito além de um simples ponto de aterramento.Desde garantir a segurança elétrica básica até a operação precisa e estável dos circuitos, a importância do GND não pode ser ignorada.São várias classificações e princípios de trabalho complexos exigem que os engenheiros adotem estratégias sofisticadas e atenciosas ao projetar e implementar circuitos.Seja em aparelhos elétricos comuns na vida cotidiana ou nos produtos de tecnologia de ponta, uma estratégia de fundamento razoável é a base para alcançar produtos eletrônicos eficientes, confiáveis ​​e seguros.Portanto, para qualquer projeto que envolva circuitos eletrônicos, uma compreensão completa das características e aplicações do GND é essencial para um design bem -sucedido.