در یک سیستم می توان چهار هدف مجزا برای زمین کردن نام برد.

انواع زمین

زمین کردن و اتصالات

هدف از زمین کردن

1) زمین ایمنی [1]

هدف از زمین ایمنی، تضمین کردن امنیت شخص تحت شرایطی است که خطا رخ می دهد. در تعریف مقررات سیم کشی تعریف”زمین کردن” بدین صورت است: اتصال قطعات رسانای بی حفاظ در یک مجموعه به ترمینال زمین اصلی مجموعه. زمین کردن یک مسیر امپدانس پایین فراهم می کند تا وقتی خطا در سیستم رخ می دهد، جریان  ایجاد شده بتواند در این مسیر جاری شود. قطعات رسانای بی حفاظ در واقع قطعات رسانایی هستند که در دسترس هستند و امکان لمس شدن آنها وجود دارد. اتصال زمین از افزایش ولتاژ این قطعات به سطح خطرناک جلوگیری می کند.

هادی محافظ ارت

( معمولا به رنگ سبز و زرد کدگذاری شده) ولتاژ بخش های مختلف رسانا را در مقدار پایین تر از ولتاژ حالت عملیاتی و نیز شرایط خطا نگه میدارد و همینطور قسمت های رسانا را به ترمینال زمین اصلی متصل می کند. انجام این کار محدوده ای ایجاد می کند که  ولتاژ بخش های رسانا در یک ولتاژ ثابت نگه داشته می شوند. اگرچه ولتاژ در این محدوده امن می باشد، ضرورتا مقدار آن صفر نیست. بنابراین این محدوده از جان انسان محافظت می کند اما تضمینی برای محافظت از سیم کشی و تجهیز ندارد.

2) زمین عملیاتی [2]

برای اینکه مدار الکتریکی به صورت صحیح با تجهیزات دیگر در ارتباط باشد، باید وسیله ای باشد که هم بتواند بین ولتاژ در یک تجهیز با تجهیز دیگر ارتباط برقرار کند و هم از شناور شدن مدارهای مجاور و جدا از هم جلوگیری کند. دستیابی به این موضوع، هدف زمین عملیاتی (گراند) می باشد که باید از زمین ایمنی تمیز داده شود. به دلیل خطر جریان های گردشی و نیز اختلاف پتانسیل بین ناحیه های زمین، محدودیت هایی در استفاده ی گسترده از زمین عملیاتی وجود دارد.

سیگنال های مدار

یک دستگاه باید به ازای حداکثر ولتاژ مد مشترک – ولتاژ ایجاد شده بین قست های مختلف سیستمی که زمین عملیاتی در آن اعمال شده- مشخص شده باشند. در صورتی که اینکار قابل دستیابی نباشد بهترین راه ایزوله کردن اتصالات مدارها می باشد.

3) زمین محافظ صاعقه

در ساختمان ها، به یک اتصال به زمین برای برگشت جریان های القا شده ناشی از صاعقه نیاز است. درواقع این کاربرد تنها موردی است که در آن از واژه ی “زمین” به درستی استفاده شده است به دلیل اینکه کاربرد آن اطمینان از فراهم شدن یک مسیر امپدانس-پایین از ساختمان به زمین است. از آنجایی که صاعقه بین ابر و سطح زمین رخ می دهد، اتصال به زمین تنها راه برای تکمیل مدار با کوتاه ترین روش است. استاندارد برای محافظت از صاعقه در ساختار های متفاوتی منتشر شده است (به عنوان مثال IEC 62305). در جدول (1) این استانداردها ذکر شده اند. انواع زمین

جدول (1) استانداردهای حفاظت از صاعقه

4) زمین EMC

تنها هدف زمین EMC اطمینان از این است که ولتاژهای متداخل در مقابل سیگنال های مدار به حدی پایین هستند که عملکرد نادرست و یا تشعشع بیش از حد رخ ندهد. بنابراین هدفی در راستای ایمنی ندارد. همچنین این زمین باید رنج فرکانسی وسیعی را پوشش دهد، باید شامل بخش های فیزیکی مانند پنل های محفظه، اعضای شاسی و … باشد. بنابراین در زمین EMC نه تنها باید اصول الکتریکی لحاظ شود، بلکه باید جنبه های ساختاری نیز در نظر گرفته شوند. انواع زمین

تکنیک های نصب زمین های چند منظوره

اتصال به زمین با شبکه سه بعدی هم اثر [3]

روش اتصال به زمینی که در ساختمان ها ترجیح داده می شود، روش شبکه ی اتصال مشترک یا [4]CBN می باشد که در شکل 1 نشان داده شده است. ساختارهای پیچیده نیازمند یک سیستم هم پتانسیل هستند که در سه جهت ایجاد شوند و اغلب نیز با نام شبکه مش بندی”MESH-BN[5]” خوانده می شوند. در این روش بخش های فلزی به هم متصل می شود تا یک سیستم به هم پیوسته ایجاد شده و در نهایت به سیستم محافظ صاعقه و در صورت امکان سطوح دیگر متصل شود.

شکل 1

کاربرد این تکنیک در یک ساختمان را نشان می دهد اما این تکنیک قابل پیاده سازی در هر موقعیت دیگری مانند هواپیما، کشتی و …است. این سیستم سه بعدی مشبندی شده به صفحات ، شیلد های کابل های الکتریکی، قاب ها و یا شاسی هر وسیله ی الکترونیکی وصل می شود. در بخش هایی که فلز و هادی وجود ندارد، هادی هایی به صورت افقی و یا عمودی اضافه می شوند تا سایز هر مش بیشتر از 3 یا 4 متر نباشد. ترمینال اصلی زمین برای تغذیه ی ورودی ساختمان به ساختمال نیازمند چندین اتصال به شبکه مش بندی می باشد. این تکنیک به طور همزمان ایمنی، signal integrity، اطمینان تجهیز، و EMC را فراهم می کند.

شکل1 –  شبکه اتصال مشترک

اگرچه

هر کدام از المان های شبکه مش بندی در فرکانس رزونانس در اتصال زمین تداخل ایجاد می کنند، طبیعت به هم پیوسته ی آن مسیرهای جریان جایگزین ایجاد خواهد کرد که رزونانس نمی کنند، در نتیجه درجه ی بالایی از اطمینان در کل باند فرکانسی بدست می آید. یکی از پیامدهای این موضوع این است که باید از ساختارهای بسیار منظم باید جلوگیری شود تا هر ساختار فرکانس رزونانس متفاوتی داشته باشد. برای محدود کردن اختلاف ولتاژ در فرکانس های بالاتر با سطح توان یکسان، یا در توان های بالاتر و فرکانس یکسان، سایز مش باید کوچکتر باشد. انواع زمین

 مشکل حلقه ی زمین

یک ایراد رایجی که به سیستم مش بندی شده وارد می شود این است که باعث ایجاد “حلقه ی زمین” می شود. جریان های جاری در حلقه های زمین و اختلاف ولتاژهای ناشی از آنها در طول بخش های مختلف از شبکه زمین به عنوان عوامل مهم در ایجاد تداخل شناسایی شده است؛ بنابراین روشی برای کاهش اینگونه حلقه ها توسعه یافته است. در شرایطی که اختلاف ولتاژ زمین بالا وجود دارد، بستن یک حلقه بین دو نقطه ی زمین باعث می شود که جریان بالایی در ساختار جاری شود.

اگر هادی های این حلقه شامل بخشی باشند

که قسمتی از یک سیگنال یا کابل ولتاژ-پایین باشد و یا به نحوی با آنها کوپل شده باشد، تداخل قابل توجهی ممکن است به آن مدار و یا کابل القا شود. برای مقابله با آن اگر حلقه باز گذاشته شود، جریان دیگر جاری نمی شود و تداخل حذف می شود اما اختلاف ولتاژ بالا هنوز پابرجا است و در صورتی که حلقه ای در جای دیگری ایجاد شود می تواند مشکلاتی ایجاد کند. در واقع این کار روش شناخته شده ی زمین تک نقطه و یا ستاره است که در آن اصل مهم بدین صورت تعریف شده: تمام حلقه های زمین را از بین ببرید و تنها ولتاژهای بالا در بخش های مختلف سیستم زمین را باقی بگذارید. 

چنین رویکردی

به سادگی قابل پیاده سازی است و برای سیستم های فرکانس پایین به خوبی جواب می دهد اما روش کاملی نیست. در واقع این روش در فرکانس های تداخل اندازه گیری شده در فرکانس MHz به جای Hz پاسخگو نیست. دلیل این موضوع این است که رساناهای زمین ستاره در این فرکانس ها امپدانس بالایی نشان می دهند در نتیجه سیستم را از زمین جدا می کنند. همچنین سیستم های ستاره بزرگتر نیازمند مدیریت و کنترل دائمی هستند تا در طول زمان حلقه ی زمین ایجاد نکنند. تحت این شرایط، تنها سیستم زمین قابل اطمینان روش مش می باشد.

در واقع مش تعداد زیادی حلقه ی زمین ایجاد می کند

اما آنها کوچک و تحت کنترل هستند: اختلاف ولتاژ بین بخش ها حداقل شده و در نتیجه جریان ها حداقل و تداخل های ناشی از آنها قابل صرف نظر کردن هستند. ( انواع زمین )

رساناهای زمین [6]

بندهای کوتاه و ضخیم [7]:

در مقوله ی زمین کردن سیستم، نکات مرتبط و قابل اهمیتی وجود دارد.

• در فرکانس های بالای چند کیلوهرتز، سیم ها با طول های متفاوت دچار خاصیت القایی می شوند. سیم های کوتاه و ضخیم تر نسبت به سیم های بلند و باریک تبدیل خاصیت القایی بالاتری دارند.

• امپدانس القائی طول مشخصی از سیم  در فرکانس حدود 1 مگاهرتز به مقدار اهم می رسد.

• اگر طول امپدانس سیمی که از یک طرف به صفحه ی مرجع زمین متصل است مضربی از یک چهارم طول موج باشد؛ دچار ماکزیمم حداکثری می شود همینطور اگر این طول مضربی از نصف طول موج باشد دارای حداقل مقدار رزونانس می شود.

• فرکانس هایی که دقیقا در آنها پیک و نول اتفاق می افتد به شدت تحت تاثیر layout است. اگر هر یک از این فرکانس ها با فرکانس تحریک پذیر تجهیز منطبق شوند، تغییرات غیرقابل پیش بینی تنها با حرکت دادن آن سیم در تجهیز رخ می دهد.

قانون کلی در ارتباط با سیم زمین این است:

بندهای کوتاه و ضخیم پایین ترین امپدانس را دارند مانند نمونه هایی که در شکل 2 نشان داده شده است. اما به این معنی نیست که آنها کاملا بی عیب و نقص باشند. یک مس نازک و به هم تابیده شده ، به عنوان مثال با 10 سانتی متر طول و عرض 9 میلی متر و ضخامت 2 میلیمتر، همچنان امپدانس قابل توجهی در فرکانس های  چند صد مگاهرتز دارد. اما مزیت آن این است که رزونانس های موجود با فرکانس های بالاتر شیفت یافته اند و مقدار ضریب کیفیت خیلی کمتری را نشان  می دهند در نتیجه تاثیر آنها به مقدار ناچیزی کاهش می یابد.

شکل 2 هادی های انواع زمین

[1]Safety Earth

[2] Functional Earth

[3]Three-dimensional meshed equipotential earth-bonding

[4]Common Bonded Network

[5]Mesh Bonding Network

[6]Earth conductors

[7]Short fat straps