زمین کردن ( اصول گراندینگ )
زمین کردن یکی از راه‌های اساسی کاهش نویزهای ناخواسته است. با استفاده درست از ترکیب زمین کردن و کابل‌کشی،
درصد بزرگی از مشکل نویز برطرف می شود.
به هر حال یک زمین خوب باید طراحی شود و انتظار داشتن زمین خوب، بدون تأمل و طراحی، یک آرزوی خیالی است.
گاهی به سختی می‌پذیریم که وقت گرا‌بهای مهندسین، صرف بررسی زمین مدار شود.
ولی با اهمیت دادن به زمین مدار، هنگام ساخت و آزمون دستگاه‌ها، سرمایه و وقت ما صرف حل مشکلات تداخلات پیچیده نخواهد شد.
یکی از مزایای سیستم زمین با طراحی مناسب، محافظت در برابر تداخلات و انتشارهای ناخواسته، بدون هزینه اضافی برای محصول است.
تنها هزینه مورد نیاز، مربوط به زمان طراحی سیستم توسط مهندسین است. در مقابل، سیستم زمین با طراحی نامناسب؛
ممکن است خود، منبع اساسی تداخل و انتشار شده و وقت قابل توجهی از مهندسین صرف حذف مشکل شود. بنابراین
سیستم‌های زمین با طراحی مناسب واقعاً به صرفه خواهند بود.
زمین‌ها به دو گروه تقسیم می‌شوند:
1- زمین‌های ایمنی
2- زمین‌های سیگنال
اگر زمین مدار از طریق مسیری با امپدانس کم به (کره) زمین متصل شود، در این صورت به آن زمین ارت[1] می‌گویند.
زمین‌های ایمنی معمولاً دارای پتانسیل زمین ارت هستند، در حالی که زمین‌های سیگنال ممکن است دارای پتانسیل ارت نباشند.
در بسیاری از موارد، زمین ایمنی در نقطه‌ای صورت می‌گیرد که برای زمین سیگنال مناسب نیست و این مسئله می‌تواند مشکل نویز را پیچیده‌تر کند.
زمین‌های ایمنی
برای رعایت ایمنی، لازم است محفظه یا شاسی سیستم‌های الکتریکی زمین شوند. علت این مسئله در شکل 1 نشان داده شده است.
در سمت چپ شکل، امپدانس پراکندگی بین نقطه‌ای با پتانسییل و شاسی بوده و امپدانس پراکندگی بین شاسی و زمین است.
پتانسیل شاسی با استفاده از تقسیم ولتاژ بین و به‌دست می‌آید و برابر است با:
(1) 
شاسی می‌تواند دارای پتانسیل نسبتاً زیادی شده و موجب شوک الکتریکی در اثر تماس شود.
چون ولتاژ آن توسط امپدانس پراکندگی تعیین می‌شود، بنابراین کنترل ضعیفی روی آن وجود دارد.
ولی با اتصال شاسی به زمین، امپدانس و ولتاژ شاسی، صفر خواهند شد.
شکل 1- برای رعایت ایمنی لازم است شاسی زمین شود. در غیر این صورت، ممکن است سطح ولتاژ خطرناکی از طریق امپدانس‌های پراکندگی (سمت چپ) یا شکست عایقی (سمت راست) روی شاسی قرار گیرد. اصول گراندینگ
بخش سمت راست شکل 1 ، دومین و خطرناک‌ترین حالت را نشان می‌دهد.
در این شکل خط AC پس از عبور از فیوز وارد محفظه شده و در صورت بروز شکست عایقی، ممکن است خط AC با شاسی تماس پیدا کند.
بنابراین شاسی می‌تواند در حد تحمل فیوز، جریان عبور دهد.
در نتیجه در صورت تماس شخصی با شاسی و زمین، در اصل با خط AC تماس پیدا کرده است.
ولی در صورتی که شاسی زمین شده باشد، در اثر اتصال خط AC با شاسی، جریان زیادی از آن عبور کرده و
موجب باز شدن فیوز و جدا شدن خط AC از شاسی می‌شود.
کد الکتریکی ملی
در ایالات متحده استانداردهای توزیع توان AC و سیم‌کشی در کد الکتریکی ملی آورده شده است.
مطابق یکی از الزامات این استاندارد، توزیع توان 115Vac منازل و ساختمان‌ها باید مطابق شکل 2 به صورت سه سیمه باشد.
جریان از طریق سیم داغ (سیاه) و با عبور از فیوز وارد بار شده و از طریق سیم خنثی (سفید) برمی‌گردد.
به علاوه سیم زمین ایمنی (سبز) باید به همه محفظه‌ها و سخت‌افزار همه دستگاه‌ها متصل شود.
تنها زمانی از سیم سبز جریانی عبور می‌کند که خرابی رخ داده باشد و این هم به صورت لحظه‌ای بوده و
با باز شدن فیوز یا کارکرد قطع‌کننده، مدار باز می‌شود. چون در حالت عادی جریانی از سیم زمین ایمنی عبور نمی‌کند،
افت ولتاژ IR روی آن ایجاد نشده و محفظه‌های متصل به آن دارای پتانسیل زمین خواهند بود. بر اساس NEC،
سیم خنثی و زمین ایمنی باید تنها در یک نقطه و آن هم در محل تابلو برق ورودی اصلی، به همدیگر متصل شوند.
در غیر این صورت جریان هادی خنثی از هادی زمین عبور کرده و شاسی دارای پتانسیل زمین نخواهد بود.
ترکیب سیستم 230/115 ولت نیز مشابه آن است، تنها با یک تفاوت که یک سیم گرم (قرمز) به آن اضافه شده است (شکل 3).
اگر بار فقط به 230 ولت نیاز داشته باشد، به سیم خنثی (سفید) نشان داده در شکل 3 نیازی نخواهد بود.
شکل 2- استاندارد توزیع توان 115 V ac سه سیمه اصول گراندینگ
شکل 3- ترکیب توزیع توان 115/230 V ac چهار سیمه اصول گراندینگ
زمین‌های سیگنال
معمولاً زمین به صورت یک نقطه یا صفحه هم پتانسیل تعریف شده و به عنوان پتانسیل مرجعی برای مدار یا سیستم به کار می‌رود.
ولی این تعریف، بیانگر سیستم‌های زمین عملی نیست، زیرا آن‌ها هم پتانسیل نیستند.
تعریف یاد شده اهمیت مسیر واقعی جریان برگشتی به منبع را شامل نمی‌شود.
دانستن مسیر واقعی جریان به منظور تعیین انتشار تشعشعی یا تأثیرپذیری مدار برای طراح مهم است.
برای درک محدودیت‌ها و مشکلات سیستم‌های زمین واقعی، بهتر است از تعریفی که بیانگر موقعیت عملی باشد، استفاده شود.
بنابراین تعریف بهتر زمین سیگنال، مسیر کم امپدانس برای جریان برگشتی به منبع است (1979، Ott).
این مفهوم جریان زمین، بر اهمیت جریان جاری تأکید می‌کند.
در واقع به طور ضمنی بیان می‌کند که چون جریان جاری از امپدانس محدودی عبور می‌کند،
موجب اختلاف پتانسیل بین دو نقطه مجزای فیزیکی خواهد شد.
مفهوم هم‌پتانسیلی، تعریف‌کننده زمین ایده‌آل است و مفهوم جریان، زمین واقعی را تعریف می‌کند.
مسیر واقعی جریان زمین در تعیین پیوند مغناطیسی بین مدارات مهم است.
پیوند مغناطیسی یا سلفی، متناسب با سطح حلقه است. اما سطح حلقه سیستم با مسیرهای زمین چندگانه چگونه است؟
این سطح، سطح کل محصور شده توسط جریان واقعی است. یک نکته مهم در تعیین این سطح،
مسیر زمین برگشت
جریان به منبع است. اغلب این مسیر، مورد نظر طراح نیست.
در طراحی زمین این سؤال مهم است: جریان چگونه جاری می‌شود؟ مسیر جریان زمین باید تعیین شود و چون هر هادی حامل جریان، دارای افت ولتاژی است، اثر این افت ولتاژ هم باید در عملکرد مدارات دیگر متصل به زمین در نظر گرفته شود.
سیستم زمین مناسب برای سیگنال، توسط نوع مدار، فرکانس کار، اندازه سیستم (مجتمع یا گسترده) و دیگر محدودیت‌ها از قبیل ایمنی، تعیین می‌شود. هیچ‌گاه یک سیستم زمین برای همه کاربردها مناسب نیست.
معمولاً زمین‌های سیگنال در یکی از سه گروه زیر قرار دارند:
1- زمین‌های تک‌نقطه‌ای (شکل 4)
2- زمین‌های چندنقطه‌ای (شکل 5)
3- زمین‌های هایبرید (شکل 9 و 10)
زمین‌های تک‌نقطه‌ای هم به دو گروه اتصالات سری و اتصالات موازی تقسیم می‌شوند. به اتصالات سری، سیستم زمین مشترک یا زنجیره دوار و به اتصالات موازی، سیستم زمین مجزا نیز گفته می شود.
شکل 4- دو نوع اتصال زمین تک‌نقطه‌ای اصول گراندینگ
شکل 5- اتصالات زمین چندنقطه‌ای اصول گراندینگ
به طور کلی توزیع تغذیه به صورت موازی با ساختار زمین مورد نظر است.
معمولاً ابتدا سیستم زمین طراحی شده و سپس تغذیه به طور مشابه توزیع می‌شود.
در بررسی تکنیک‌های زمین کردن، دو نکته کلیدی زیر را باید در نظر داشت:
1- تمام هادی‌ها دارای امپدانس محدودی بوده و عموماً شامل مقاومت و سلف هستند.
برای مثال، سیم نمره 22 مستقیمی که یک اینچ بالاتر از سطح زمین باشد، در 11KHz دارای راکتانس سلفی بیشتری از مقاومتش است.
2- دو نقطه زمین مجزا (از نظر فیزیکی) به ندرت هم پتانسیل هستند.
استفاده از زمین تغذیه AC به عنوان زمین سیگنال، از نظر عملی نامطلوب است،
زیرا ولتاژ اندازه‌گیری شده بین دو نقطه از زمین تغذیه AC به طور نوعی حدود چند صد میلی ولت بوده و
در برخی موارد تا چند ولت می‌رسد. این مقدار برای مدارات سطح پایین بسیار زیاد است.
با این حال برای رعایت ایمنی، یک اتصال تک‌نقطه‌ای به زمین تغذیه AC معمولاً لازم است.
سیستم‌های زمین تک‌نقطه‌ای
از نقطه نظر نویز، سیستم زمین مشترک مطابق شکل 6 ، ناامطلوب‌ترین نوع سیستم زمین تک‌نقطه‌ای است. در این حالت زمین تمام مدارات به صورت سری به همدیگر وصل می‌شوند. مقاومت‌های نشان داده شده، امپدانس هادی‌های زمین بوده و و و به ترتیب جریان زمین مدارهای 1 و 2 و 3 هستند. پتانسیل نقطه A صفر نبوده و برابر است با:
(2) 
شکل 6- سیستم زمین مشترک به صورت اتصال سری زمین است که از نقطه نظر نویز نامطلوب بوده ولی مزیت آن در سیم‌کشی ساده است. اصول گراندینگ
و پتانسیل نقطه C برابر است با:
(3) 
هرچند که این مدار نامطلوب‌ترین نوع سیستم زمین کردن است ولی به دلیل سادگی،
کاربرد فراوانی دارد و ممکن است برای مدارات غیرحساس کاملاً رضایت‌بخش باشد. این نوع سیستم نباید
برای مداراتی که در سطوح تغذیه مختلفی کار می‌کنند، استفاده شود، چون مدارات سطح بالا، جریان زیادی
در زمین ایجاد کرده و روی مدارات سطح پایین، اثر نامطلوب خواهند گذاشت. وقتی چنین سیستمی به کار می‌رود،
باید مدار حساس در اولین نقطه نزدیک به زمین اصلی قرار گیرد. توجه داشته باشید که نقطه A در شکل 6 دارای پتانسیل کمتری از نقاط B یا C است.
سیستم زمین مجزا
(اتصال موازی) مطابق شکل 7 در فرکانس‌های کم، به علت عدم وجود پیوند مشترک بین جریان‌های زمین مدارات مختلف، بسیار مطلوب است. برای مثال پتانسیل نقاط A و C برابرند با:
(4) 
(5) 
پتانسیل زمین هر مدار تنها به جریان و امپدانس زمین خودش بستگی دارد. چون این سیستم بخصوص در سیستم‌های بزرگ به هادی‌های زیادی نیاز دارد، ساخت آن از لحاظ مکانیکی مشکل است.
شکل 7- سیستم زمین مجزا همان اتصال زمین موازی بوده و بخصوص در فرکانس‌ها کم، زمین خوبی است ولی از نظر مکانیکی ساخت آن مشکل است.اصول گراندینگ
یکی دیگر از محدودیت‌های سیستم زمین یک نقطه‌ای که در فرکانس‌های زیاد ظاهر می‌شود،
اندوکتانس هادی‌های زمین است که موجب افزایش امپدانس زمین خواهد شد. در فرکانس‌های زیاد،
اگر طول سیم‌های زمین برابر مضرب فردی از ربع طول موج شود، نه تنها موجب افزایش امپدانس زمین می‌شود،
بلکه به صورت آنتن عمل کرده و موجب تشعشع نویز خواهد شد. برای کم کردن امپدانس و
جلوگیری از تشعشع باید طول هادی‌های زمین کمتر از انتخاب شوند. در فرکانس‌های زیاد چنین موضوعی در مورد زمین یک‌نقطه‌ای وجود ندارد.
سیستم‌های زمین چندنقطه‌ای
سیستم زمین چندنقطه‌ای در فرکانس‌های زیاد و نیز در مدارات دیجیتال برای کاهش امپدانس زمین به کار می‌رود.
در این سیستم، مدارات به نزدیک‌ترین زمین کم‌امپدانس قابل دسترس که معمولاً شاسی است، متصل می‌شوند (شکل 8 ).
کم امپدانس بودن زمین اصولاً به دلیل کم بودن اندوکتانس آن است.
برای کاهش امپدانس باید اتصال بین هر مدار و صفحه زمین تا حد امکان کوتاه باشد،
در فرکانس‌های خیلی زیاد طول هادی‌های زمین باید کمتر از کسری از اینچ باشند ولی در فرکانس‌های
کم باید از زمین چندنقطه‌ای اجتناب شود، زیرا جریان‌های زمین تمام مدارات از امپدانس مشترک صفحه زمین عبور می‌کنند.
با نقره اندود کردن سطح مشترک صفحه زمین، امپدانس آن در فرکانس‌های زیاد کاهش می‌یابد.
به دلیل اثر پوستی، جریان تنها از سطح صفحه زمین عبور می‌کند. بنابراین در فرکانس زیاد افزایش ضخامت صفحه زمین تأثیری در امپدانس آن نخواهد گذاشت.
شکل 8- سیستم زمین چندنقطه‌ای در فرکانس‌های بیشتر از 10MHz انتخاب مناسبی است. امپدانس‌های R1 تا R3 و L1 تا L3 باید کمینه شوند.اصول گراندینگ
ادامه
معمولاً در فرکانس‌های کمتر از 1MHz سیستم زمین تک‌نقطه‌ای و بیشتر از 10MHz سیستم زمین چندنقطه‌ای مناسب است.
بین 1 تا 10MHz اگر طویل‌ترین هادی زمین از کمتر باشد، از سیستم زمین تک‌نقطه‌ای می‌توان استفاده کرد.
در غیر این صورت باید از سیستم زمین چندنقطه‌ای استفاده شود.
بسیاری از مشکلات سیستم زمین، ناشی از پیوند امپدانس مشترک است که منجر به مشکلاتی در یک یا چند مورد بعدی می‌شوند:
1- زمین با امپدانس زیاد (معمولاً اندوکتانس بسیار زیاد)
2- جریان زمین زیاد (اغلب ناشی از جریان‌های فرکانسی پرتوان یا القای میدان مغناطیسی)
3- مدار حساس (با حاشیه نویز کم) متصل شده به زمین
زمین‌های تک‌نقطه‌ای با جداسازی جریان‌های زمین که مستعد ایجاد تداخل و جریان در هادی‌های مختلف هستند،
بر مشکلات یاد شده غلبه می‌کنند. این موضوع در فرکانس‌های کم مؤثر است. ولی مسیرهای جریان تکی و طولانی،
اندوکتانس را که در فرکانس‌های زیاد مخرب است، افزایش می‌دهند، به علاوه در فرکانس‌های زیاد،
دستیابی به زمین تک‌نقطه‌ای تقریباً غیرممکن است زیرا ظرفیت‌های پراکندگی ، حلقه زمین تشکیل می‌دهند.
زمین‌های چندنقطه‌ای نیز با ایجاد زمین بسیار کم امپدانس بر مشکلات یاد شده غلبه می‌کنند.
سیستم زمین توسط تعداد زیادی مسیرهای موازی (شبکه) به هم وصل شده یا از صفحه فلزی یکپارچه تشکیل می‌شود.
زمین‌های چندنقطه‌ای حلقه‌های زمینی ایجاد می‌کنند که می‌توانند موجب دریافت القای مغناطیسی شوند.
راه حل واضح، کوچک کردن سطح حلقه‌ها با استفاده از صفحه یا شبکه زمین و اجتناب از زمین‌های
چندنقطه‌ای برای مدارات با حاشیه نویز بسیار کم (میلی‌ولت یا میکروولت) است.
مدارات منطقی
دیجیتال باید مانند مدارات با فرکانس زیاد در نظر گرفته شوند، زیرا آن‌ها فرکانس‌های زیادی تولید می‌کنند.
زمین خوب با اندوکتانس کم، برای برد مدار چاپی شامل تعداد زیادی مدار دیجیتال، ضروری است.
زمین می‌تواند صفحه زمین کم امپدانس یا شبکه زمین باشد. صفحه زمین، مسیر برگشت زمین کم امپدانسی برای
جریان منبع تغذیه و سیگنال‌ها فراهم کرده و امکان استفاده از خطوط انتقال با امپدانس ثابت را برای ارتباطات داخلی
سیگنال‌ها فراهم می‌کند. شبکه زمین با فراهم کردن تعداد زیادی مسیر موازی برای جریان‌های برگشتی زمین،
اندوکتانس زمین را کمینه کرده و تقریباً می‌تواند مانند صفحه زمین عمل کند.
اگرچه زمین روی برد مدار دیجیتال باید چندنقطه‌ای باشد، ولی این به معنی چندنقطه‌ای بودن زمین منبع تغذیه نیست.
چون جریان‌های دیجیتال فرکانس زیاد نباید از هادی‌های تغذیه برد که فرکانس کم (DC) هستند، عبور کنند.
بنابراین اتصال زمین تغذیه به برد باید تک‌نقطه‌ای باشد، هرچند زمین برد دیجیتالی چندنقطه‌ای است.
زمین‌های هایبرید
ساختار زمین هایبرید به گونه‌ای است که در فرکانس‌های مختلف به طور متفاوتی عمل می‌کند.
شکل 9 یک سیستم زمین هایبرید معمول را نشان می‌دهد که در فرکانس‌های کم به عنوان زمین
تک‌نقطه‌ای و در فرکانس‌های زیاد به صورت زمین چندنقطه‌ای عمل می‌کند. یک کاربرد علمی
این موضوع، زمین کردن کابل در شکل 15 است. در فرکانس‌های کم، پوشش کابل به صورت
تک‌نقطه‌ای و در فرکانس‌های زیاد به صورت چندنقطه‌ای زمین می‌شود.
زمین هایبرید متفاوتی در شکل 10 نشان داده شده است. این زمین هایبرید اگرچه مانند شکل 9 مرسوم نیست
ولی از آن می‌توان برای اتصال تعدادی شاسی به سیم سبز زمین سیستم تغذیه، جهت ایمنی استفاده کرد؛
در این حالت برای مدارات، زمین سیگنال تک‌نقطه‌ای مورد نظر است. چوک‌ها، زمین ایمنی کم امپدانسی
در فرکانس‌های کم خط تغذیه AC فراهم کرده و در فرکانس‌های زیاد سیستم را از زمین عایق می‌کنند.
شکل 9- یک سیستم زمین هایبرید که در فرکانس‌های کم به عنوان زمین تک‌نقطه‌ای و در فرکانس‌های زیاد به صورت زمین چندنقطه‌ای عمل می‌کند.
شکل 10- یک سیستم زمین هایبرید که در فرکانس‌های کم به عنوان زمین چندنقطه‌ای و در فرکانس‌های زیاد به صورت زمین تک نقطه ای عمل می‌کند.
بدون دیدگاه