Заземление

Заземление выполняет важную функцию в электротехнических и радиоэлектронных устройствах, на промышленных предприятиях. Системы заземления несут обратные токи сигналов и питания, образуют опорные уровни для аналоговых и цифровых цепей, снимают заряды с оборудования, защищают людей и оборудование от аварий и молний.

Строго говоря, «заземление» означает электрическое соединение с массой Земли (планеты). В жилых домах, на промышленных предприятиях заземление осуществляют, соединяя систему общего заземления этих объектов с электродами заземления. Система общего заземления объединяет все защитные проводники, специальные шины заземления и металлоконструкции на объекте. Электроды заземления представляют собой металлические стержни или систему стержней и соединяющих их проводов, вбитых или зарытых в землю. Сопротивление соединения «электрод заземления – земля» на частоте сигнала определяет качество заземления, которое тем лучше, чем больше поверхность электрода заземления, контактирующая с землей, глубина, на которую погружен электрод, и чем выше проводимость почвы. Для некоторых типов передающих антенных систем в диапазонах ОНЧ, НЧ, СЧ и нижней части диапазона ВЧ эффективность работы зависит от качества заземления.

В радиотехнических и радиоэлектронных устройствах под системой заземления понимают электрическую цепь, несущую обратные токи, потенциал которой является уровнем отсчета для напряжений в других точках радиоэлектронных схем. Стационарное электрическое и радиоэлектронное оборудование обычно имеет постоянное соединение этой электрической цепи с системой общего заземления объекта, на котором оно установлено. Портативное (переносное) оборудование может заземляться посредством соединения клемм заземления, выводимых на переднюю или заднюю панель оборудования, с шинами заземления, входящими в систему заземления в местах эксплуатации переносного оборудования, или посредством специальных контактов в соединительных разъемах или штепсельной вилке.

Нерационально построенная система заземления в аппаратуре может явиться источником дополнительных помех и, наоборот, правильно организованная система заземления наряду с экранированием и фильтрацией является эффективным средством ослабления помех.

Идеальная система заземления должна представлять эквипотенциальную поверхность с нулевым сопротивлением. Она поддерживает постоянный потенциал земли независимо от значения тока, протекающего в землю или в обратном направлении. Реальные земли, используемые в радиоаппаратуре, обладают конечным комплексным сопротивлением, а две физически раздельные точки редко имеют один и тот же потенциал.

Поскольку земля в схемотехнике исполняет роль обратного провода и имеет конечное сопротивление, то при заземлении разных схем в разных точках земли, обратные токи этих схем могут создавать помехи друг другу за счет общего сопротивления земли, что иллюстрирует рис. 4.5 [76]. Наличие точек заземления с разным потенциалом приводит к образованию контуров заземления. Токи, протекающие по контурам в заземлении, создают дополнительные помехи работающим сигнальным цепям, особенно цепям с малым уровнем полезного сигнала.

В целом в аппаратуре можно выделить как минимум три раздельных цепи заземления:

1) заземление для сигнальных цепей с низким уровнем токов и напряжений;

2) заземление для силовых цепей с высокими уровнями потребляемой мощности (источники питания, выходные усилители мощности в радиоаппаратуре, двигатели и т. п.);

3) заземление для несущих конструкций: шасси, панелей, кожухов, крышек корпусов и т. п.

Заземление в аппаратуре осуществляют одним из следующих способов (рис. 4.6):

- одноточечное последовательное заземление;

- одноточечное параллельное заземление;

- многоточечное заземление.

Одноточечное последовательное заземление соответствует ситуации, когда электрические цепи последовательно соединяются с общей шиной «земля». В этом случае обратные токи цепей протекают через общие сопротивления, связывая эти цепи. Чем дальше от опорной точки удалена точка соединения с шиной заземления, тем выше потенциал этой точки. Потенциал точки заземления цепи 1 определяется не только ее обратным током через сопротивление Z₁, но также обратными токами цепей 2 и 3 через это сопротивление. Хотя эта схема создает наибольший уровень помех, она находит применение в маломощной аппаратуре. Ее не рекомендуется применять для цепей с большим разбросом потребляемой мощности. При наличии достаточно мощных функциональных узлов и использовании последовательной схемы заземления, наиболее мощный узел следует подключать как можно ближе к точке опорного заземления.

Одноточечная параллельная система заземления конструктивно громоздка из-за значительного количества используемых проводных соединений. Она имеет преимущество перед последовательной схемой заземления на низких частотах, где влиянием реактивной составляющей сопротивлений можно пренебречь. Однако на высоких частотах ее применение вызывает определенные трудности, так как индуктивности заземляющих проводников увеличивают сопротивление земли, а между проводниками возникают емкостные и индуктивные связи. Для обеспечения малого сопротивления заземляющих проводов их длина должна быть как можно короче. При выборе между конфигурациями одноточечного заземления следует сначала определить помехозащищенность цепи через общее сопротивление. На практике в большинстве систем используют комбинацию обеих топологий заземления.

Многоточечную схему заземления используют на высоких частотах, подключая цепи к земле в точках, расположенных как можно ближе к опорной земле. При этом в качестве опорной земли используют заземляющую поверхность с малым сопротивлением: металлическое шасси, слой металла на печатной плате и т. п.

Если в системе имеется много путей для обратного тока или много соединений с заземлением, то в заземлении возникают контуры тока. Разности потенциалов в точках заземления можно моделировать источниками напряжений. Ток, протекающий в нагрузке такого источника, которая содержит элементы заземленных устройств, может создавать в них помехи, которые могут нарушать нормальную работу устройств, особенно устройств, работающих со слабыми сигналами: искажать полезные сигналы, вызывать ложные срабатывания в цифровых схемах, приводить к самовозбуждению усилительных устройств и т. п.

Для устранения контуров в заземлении стремятся использовать заземление в одной точке. Все металлические шасси обычно соединяют друг с другом и далее присоединяют в одной точке к электрической распределительной системе заземления. Рекомендация о том, чтобы проводить заземление в одной точке относится и к экранам кабелей, по крайней мере, на частотах до порядка 1 МГц. На более высоких частотах паразитные емкости создают скрытые пути для токов экранов, которые образуют контура в заземлении. При разводке кабелей цифровых схем, длина которых превышает 1/20 длину волны наивысшей частоты или нужной гармоники, экран кабеля часто заземляют на обоих концах, а иногда даже в нескольких точках между концами в зависимости от длины кабеля и присутствующих частот.

Устранение помех, связанных с контурами заземления, можно выполнить, разорвав контур, посредством изоляции цепей, входящих в этот контур.

Быстрое развитие радиоэлектроники создает окружение с растущим электромагнитным загрязнением. Правильное и рациональное использование методов экранирования, фильтрации и заземления обеспечивает устойчивую работу как каждого отдельного РЭС, так и совместную работу многих РЭС на промышленных предприятиях, стационарных и подвижных объектах, таких, как приемо-передающие центры или самолеты, корабли и т. д.