ЗАЗЕМЛЕНИЕ

При проектировании средств заземления необходимо найти компромисс между противоречащими друг другу требованиями. Заземляющая система должна: представлять собой цепь опорного источника напряжения (в типичном случае ±100 мВ для аналоговых схем и ±200 мВ для цифровых); обеспечивать сигнальные и силовые цепи возврата; образовывать опорные плоскости для антенн; препятствовать появлению вблизи антенн высокочастотных потенциалов; защищать людей и оборудование от грозовых разрядов; защищать людей и оборудование от 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 одном из номеров журнала «ЕМС Technology* .(1983, январь-март) опубликовано пять статей, касающихся проблем заземления; Отт [5] определяет заземление как «обладающую низким импедансом цепь возврата тока». Из этого определения следует, что протекание любого тока в системе заземления приведет к разности потенциалов. Для удовлетворительной работы оборудования необходимо, чтобы эта разность потенциалов была невелика по сравнению с амплитудой сигналов. Поэтому при проектировании системы заземления следует: 1) поддерживать импеданс заземления на как люжно более низком уровне и 2) контролировать ток, протекающий между источниками и нагрузками.

Сигншная земля

Рис. 10.1. Стандартные обозначения за- СиловОЯ земления. .

] Корпуснал

отпя

\Z\\\ + tg(2Jt X)] [Ом]. В двух точках проводника, отстоящих на расстоянии Я,/, ЗЯ,/4, 5Я,/4, 7Х/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 устройств максимальное расстояние между точками заземления не должно превышать 0,05Я,, где Я, -длина волны наиболее высокочастотного сигнала. При этом импеданс заземляющей цепи составляет 133 % номинального значения. В большинстве устройств гражданского назначения допустимо расстояние 0,1Я, (173% номинального значения импеданса), а при заземлении нечувствительных устройств это расстояние можно увеличить до 0,15X; при этом импеданс заземляющей системы возрастает до 238 % номинального, значения.

Можно изолировать друг от друга цепи. возврата сигнальных токов, цепи возврата постоянных токоз питания и цепи возврата переменных токов питания и построить систему заземления из трех независимых контуров (рис. 10.1)*, 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, - Прим. ред.

Каковы ДОЛЖНЫ быть размеры системы заземления? Если сигнал частотой f [Гц] с длиной волны Я, « 2,998* lOVf [м] распространяется по участку проводника длиной I [м], то импеданс равен \г\ [Ом] (см. приложение Г). Однако для учета стоячих волн следует ввести в выражение для импеданса поправку tg{2nl/K), так что импеданс проводника будет равен

Такой подход позволяет оптимизировать каждую заземляющую цепь в отдельности. Например, цепи заземления схем распространения сигналов в диапазоне частот до нескольких мегагерц должны иметь низкий импеданс и по ним должен течь малый.ток. Заземляющая цепь источников питания постоянного тока

Итлоговсщ схе щ с таким

/Ыалогоесш схема с низким юеитсагтт

Ллавситидя земля

Корлусная зеА1ля

Рнс. 10.2. Схема с плавающим заземлением.

должна быть рассчитана на низкий импеданс, но значительно более высокий ток, а заземления источников питания по сети переменного тока (корпусная земля) должны 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 100 мкГн; этим условиям удовлетворяют медная проволока диаметром 2,053 мм и алюминиевая проволока диаметром 2,588 мм).

На рис. 10.2 показана схема с плавающим заземлением, применяемая для чрезвычайно чувствительных устройств. Такая заземляющая система требует полной изоляции схемы от корпуса (высокого сопротивления и низкой емкости), в противном случае она оказывается малоэффективной. В качестве источников питания схем могут использоваться солнечные элементы или баратери, а сигналы должны поступать и покидать схему через трансформаторы или оптроны. Для предотвращения накопления статических зарядов некоторые проектировщики помещают шунтирующий нагрузочный резистор с высоки.м сопротивлением между точками сигнального заземления и корпусного заземления.