Каждый радиолюбитель, который разрабатывает более или менее слож­ную аппаратуру, сталкивается с про­блемой заземления.

Заземление своими руками

Речь пойдёт на сайте о пра­вильной расстановке на схеме, а за­тем конструктивном исполнении несерьезных, на первый взгляд, знач­ков, показанных на рис.1. Достой­ны ли они нашего внимания? Мой личный опыт говорит — весьма дос­тойны! За этими значками скрывает­ся очень многое.

От них подчас зави­сит работоспособность создаваемого устройства, в них кроются причины эпизодических, плохо поддающихся анализу сбоев. А при создании надеж­ного радиоэлектронного оборудова­ния не может быть мелочей.

[info]Рекомендуем вам, посетить сайт “Сарансктехмонтаж”, где предоставлен полный каталог оборудования для производства малого и среднего бизнеса, а в частности: паровые котлы, вакуумные машины, пароаккумуляторы и многое другое.[/info]

Как-то знакомые попросили меня посмотреть электронный блок, в ко­тором, несмотря на все их усилия, не исчезали помехи и сбои. Подозрение после предварительного анализа выз­вали сервоусилители, управлявшие исполнительными электродвигателя­ми.

Они генерировали импульсы тока до 4 А при напряжении 28 В с часто­той около 16 кГц. Эти импульсы со­провождались выбросами напряже­ния амплитудой примерно 2 В в сиг­нальных и силовых линиях, а также в системе заземления. Они сбивали встроенный микропроцессор и обус­лавливали неработоспособность дру­гих электронных схем.

После осмотра блока было обна­ружено, что все заземляющие, сило­вые и сигнальные проводники нахо­дятся в одном жгуте. Силовые и сиг­нальные кабели были связаны в жгут и периодически образовывали петли площадью 0,5… 1 м². Весь день мы потратили на поиск возможных путей устранения дефекта. Убедившись, что простыми средствами не обойтись, мы решили переделать сигнальный монтаж и монтаж питания. При этом были выполнены следующие дора­ботки:

• общая точка оконечного блока вблизи источников питания принята в качестве одноточечного заземления;
• проведен отдельный заземляющий провод от этого блока к каждому ис­точнику питания и к разъемам печат­ных плат; заземляющие провода скручива­лись наподобие витой пары с сило­выми
• проводами;
• скрученные пары проводов ис­пользовались в качестве цепей сиг­налов. причем каждый второй провод соединялся с землей на обоих концах (цифровым ИМС не страшны помехи, создаваемые паразитным контуром с замыканием на землю);
• все поступающие на платы логи­ческие сигналы пропускались через буферные элементы на триггерах Шмитта

Затратив неделю на переделку, мы вновь проверили блок. Все работало прекрасно, и, самое главное, больше не наблюдалось зависаний и сбоев встроенного микропроцессора. В ис­правленном виде блок прошел все испытания, и исправно работает уже 5 лет, не вызывая проблем.

Этот случай весьма показателен для тех случаев, когда по правильной схеме “удается сконструировать” не­работоспособное устройство. При ре­ализации любой электронной схемы неизбежно вносятся дополнительные паразитные параметры емкостного, индуктивного и резистивного характе­ра, которые могут в недопустимых пределах ухудшить ее быстродей­ствие и помехоустойчивость, а в не­которых случаях привести к полной потере работоспособности.

Особенно велико влияние конструк­ции и монтажа на работу сверхскоро­стных (высокочастотных) устройств. Поэтому при конструировании элект­ронной аппаратуры в наносекундном и пикосекундном диапазонах (СВЧ-усилители, спутниковые ресиверы, быс­тродействующие вычислители и т.п.) основными критериями их качества являются системное быстродействие, помехоустойчивость и электромагнит­ная совместимость.

При проектировании заземления необходимо найти компромисс меж­ду противоречащими друг другу тре­бованиями, заземляющая система должна:

представлять собой эквипотенци­альную цепь (опорный “нулевой” по­тенциал). В типичном случае допус­кается разность

• потенциалов по за­земляющей цепи не более ±100 мВ для аналоговых схем и ±200 мВ для цифровых;
• обеспечивать сигнальные и сило­вые цепи возврата тока;
• образовывать опорные плоскости для антенн;
• препятствовать появлению вбли­зи антенн высокочастотных потенци­алов;
• защищать людей и оборудование от грозовых разрядов, неисправнос­тей в цепях источников питания;
• снимать статические заряды.

Заземляющая система должна быть тщательно спроектирована, что­бы удовлетворять всем этим требова­ниям и одновременно свести к мини­муму нежелательные паразитные свя­зи между сигналами, приводящие к возникновению помех.

В общем случае заземление мож­но определить как “обладающую низ­ким импедансом цепь возврата тока”. Из этого определения следует, что протекание любого тока в систе­ме заземления приведет к появлению разности потенциалов. Для удовлет­ворительной работы оборудования необходимо, чтобы эта разность по­тенциалов была невелика по сравне­нию с амплитудой сигналов. Поэтому при проектировании системы зазем­ления следует:

• поддерживать импеданс заземле­ния на как можно более низком уров­не;
• контролировать ток, протекающий по цепям возврата между источника­ми и нагрузками.

Размеры системы заземления дол­жны выбираться исходя из частот, используемых в оборудовании сигна­лов. Если сигнал частотой f(Гц) с дли­ной волны λ=2,998 • 10^8f (м) распро­страняется по участку проводника длиной l(м), то импеданс этого участ­ка равен |z| (Ом). Однако, для учета стоячих волн следует ввести в выраже­ние для импеданса поправку tg(2//λ), так что импеданс проводника будет:

В точках проводника, отстоящих на расстоянии λ/4, Зλ/4, 5λ/4, 7λ/4… друг от друга, цепь как бы размыкается. Следовательно, чтобы снизить раз­ность потенциалов, необходимо огра­ничивать размер системы заземле­ния. Для военного оборудования, пе­редатчиков, приемников и других чувствительных высокочастотных уст­ройств максимальное расстояние между точками заземления не долж­но превышать 0.05λ, где λ — длина волны наиболее высокочастотного сигнала.

При этом импеданс заземля­ющей цепи составляет 133% номи­нального значения. В большинстве устройств гражданского назначения допустимо расстояние 0,1 λ, (173% но­минального значения импеданса), а при заземлении нечувствительных к помехам устройств это расстояние можно увеличить до 0,15λ; при этом импеданс заземляющей системы воз­растает до 238% номинального зна­чения.

Можно изолировать друг от друга цепи возврата сигнальных токов, по­стоянных и переменных токов пита­ния, и построить таким образом сис­тему заземления из трех независимых контуров, сходящихся в одной точке.

В дальнейшем будем называть цепи возврата сигнальных токов сигнальной или схемной землей, цепи возврата постоянных силовых то­ков — силовой землей, цепи возвра­та переменных силовых токов и эк­ранирующие корпуса — корпусной землей или защитным заземлением.

Такой подход позволяет оптимизи­ровать каждую заземляющую цепь в отдельности. Например, сигнальные цепи заземления в диапазоне частот до нескольких мегагерц должны иметь низкий импеданс, и по ним должен течь малый ток.

Заземляющая цепь источников питания постоянного тока должна быть рассчитана на низкий импеданс, но значительно больший ток, а заземление источников питания по сети переменного тока (корпусная земля) должно иметь низкий импе­данс вблизи частоты 100 Гц и выдер­живать ток в сотни ампер.

В типичном случае проводники, об­разующие цепь заземления, должны иметь сопротивление <=100 мОм и индуктивность <=100мкГн. Этим усло­виям удовлетворяют медная проволо­ка диаметром 2 мм и алюминиевая — диаметром 2,6 мм.

Плавающее заземление. Для чрез­вычайно чувствительных устройств применяется схема с плавающим за­землением (рис.2). Такое заземление требует полной изоляции схемы от корпуса (высокого сопротивления и малой емкости), в противном случае она оказывается малоэффективной.

В качестве источников питания таких схем могут использоваться батареи или солнечные элементы, а сигналы должны поступать и покидать схему через элементы, обеспечивающие гальваническую развязку (трансфор­маторы или оптроны). Для предотв­ращения накопления статических за­рядов некоторые проектировщики ус­танавливают шунтирующий нагрузоч­ный резистор с высоким сопротивле­нием между точками сигнального и корпусного заземления.

Заземление в одной точке. Рас­смотрим схему (рис.3) в которой реа­лизован принцип заземления в одной (общей) точке. Каждый отдельный блок или узел и каждый экран имеют свой провод к общей точке. При та­ком подходе исключается паразитная связь через общий импеданс зазем­ления и уменьшается вероятность об­разования низкочастотного паразит­ного контура с замыканием на землю. Заземление в общей точке очень эф­фективно до частот 1 МГц, а если си­стема заземления имеет малый раз­мер (не более 0.05λ), частотный пре­дел может достичь и 10 МГц.

Однако чувствительные аналоговые схемы могут воспринимать помехи вследствие индуктивной и емкостной паразитных связей, несмотря на мно­гочисленные провода заземления. Тем не менее, в большинстве воен­ных и космических устройств исполь­зуется подобное заземление в общей точке. Его недостаток — большое ко­личество заземляющих проводников, которое в сложных устройствах силь­но усложняет монтаж, увеличивает их массу и габариты.

Рассмотрим модифицированную систему заземления в общей точке (рис.4), уменьшающую общее число проводов заземления. Схемы с близ­ким уровнем помех соединены вмес­те. причем наиболее чувствительные схемы расположены как можно бли­же к общей точке.

Такой принцип за­земления снижает число проводов, незначительно повышая при этом па­разитную связь через общий импе­данс. Когда печатная плата имеет от­дельные заземляющие цепи для ана­логовых и цифровых узлов, их следу­ет соединить встречно-параллельно включенными диодами VD1 и VD2 для защиты печатной платы от статичес­кого электричества, пока она не уста­новлена в устройство.