Bądź skuteczny w uziemianiu - poradnik konstruktora

Rys. 1. Napięcia wzdłuż szyny 0 V

Standardowy pomiar napięcia względem uziemienia jest przyczyną jego nazywania zerem lub określania zerowym napięciem. Wszystkie napięcia w układach, przemienne, dodatnie lub ujemne, jeśli inny sposób odniesienia nie jest stwierdzony wyraźnie, są domyślnie odnoszone do ziemi, zwanej też potocznie masą układu.

Trzeba jednak podkreślić, że napięcie zerowe nie jest we wszystkich punktach urządzenia ściśle jednakowe. Napięcie może wynosić dokładnie 0 V w jednym tylko punkcie. Każdy przewód ma w praktyce jakąś rezystancję, a płynący prąd wywołuje na nim spadek napięcia. Jeśli za 0 V przyjąć napięcie w punkcie przyłączenia zasilacza do masy, to napięcia w innych punktach masy nie będą zerowe.

Ilustruje to przykład na rysunek 1. Jeśli przyjąć, że rezystancja przewodu masy wynosi 10 mW/cm i że w rozmieszczonych co 1 cm punktach A, B, C, D do masy dopływają prądy I₁, I₂ i I₃ o wartościach jak na rysunku, to napięcia w tych punktach w odniesieniu do punktu D wyniosą:

U_C = (I₁ + I₂ +I₃)·10 mΩ = 400 µV
U_B = U_C + (I₁ +I₂)·10 mΩ = 700 µV
U_A = U_B + I₁·10 mΩ = 900 µV

Ale przecież istnieją miliony układów elektronicznych ze wspólną masą o zerowym napięciu, które działają dobrze, w czym więc problem? W większości przypadków problemu nie ma, ponieważ rezystancje przewodów mieszczą się w zakresie miliomów, natężenia prądów w zakresie miliamperów, a spadki napięcia w zakresie ułamka miliomów są na tyle bliskie 0 V, że nie przyczyniają żadnych kłopotów. Dlatego łatwo się o tym zapomina i bywa zaskoczonym, jeśli czasem wywołane tym kłopoty jednak wystąpią:

• gdy wielkości spadków napięcia wpływają na działanie układu,
• gdy natężenie uziemianych prądów to nie mikroampery czy miliampery, ale ampery,
• gdy rezystancje przewodów masy to nie miliomy, tylko omy, z uwagi np. na długość.

Kiedy uziemienie jest ważne?

Rys. 2. Typowe wewnętrzne połączenia zasilania w urządzeniu

Projektant układu musi wiedzieć, kiedy wpływ uziemień powinien zostać starannie rozważony, a kiedy bezpiecznie można go zlekceważyć. Sprawa się komplikuje, gdy projektant układu nie zajmuje się rozmieszczaniem jego elementów, co jest pozostawiane do zaprojektowania oprogramowaniu EDA.

Uziemianie jest zawsze uzależnione od rozmieszczenia podzespołów, zarówno w układach drukowanych, jak i dyskretnych, i projektant musi dysponować wiedzą o tym i mieć kontrolę nad wykonaniem projektu. Potrzebna jest mu znajomość przebiegu ścieżek prądów uziemiających i skutków ich rozmieszczenia.

Gdy płytka drukowana lub kilka płytek znajdujących się we wspólnej obudowie są połączone w "lokalnym" punkcie uziemienia, będącym na przykład przyłączem masy sieci energetycznej, całość można nazwać urządzeniem. Przykładowy jego schemat jest pokazany na rysunku 2, w którym płytka drukowana PD-1 zawiera obwody sygnału wejściowego, PD-2 mikrokontroler przetwarzania tego sygnału, a PD-3 wysokoprądowe sterowniki wyjściowe, na przykład przekaźniki dla lamp. Taki sposób przedstawienia urządzenia ułatwia jego opis. Zasilacz ZAS dostarcza niskiego napięcia zasilania do dwóch pierwszych płytek i zasilania większej mocy do płytki trzeciej. Takie zasilanie jest często stosowane i może posłużyć do zilustrowania podejścia poprawnego albo błędnego.

Wszystkie połączenia uziemiające z metalowym chassis są dokonane w jednym tylko miejscu, którym zwykle jest przykręcony do obudowy metalowy bolec. Połączenie to pełni funkcję sieciowego uziemienia bezpieczeństwa i masy 0 V. Wszystkie ekrany i filtry, na przykład elektrostatyczny ekran transformatora, są z nim połączone.

Rys. 3. Drogi przepływu zwrotnego prądu zasilania, gdy punktów uziemienia jest kilka

Jednopunktowe połączenie z chassis zapobiega przepływowi prądów uziemiających przez jego strukturę. W przypadku istnienia innych punktów uziemiających prądy uziemiające płynęłyby różnymi ścieżkami proporcjonalnie do impedancji tych ścieżek (rys. 3), zależnych od częstotliwości. Trasy i natężenia tych prądów są bardzo trudne do wyśledzenia i mogą ulegać zmianom wraz ze zmianami konstrukcyjnymi obudowy. Od nich mogą w nieprzewidywalny sposób zależeć przypadkowo powstające oscylacje i interferencje.

Połączenia elementów obudowy ulegają często korozji, a materiał utlenianiu się na powierzchni, co w przypadku uziemiania w wielu punktach powoduje z czasem degradację tych połączeń.

Przewodność aluminium

Rys. 4. Elektryczne połączenia z aluminium

Aluminium jest powszechnie używane jako materiał chassis i obudów urządzeń elektronicznych, jest bowiem materiałem wytrzymałym, o dobrym przewodnictwie. Wyższą od niego przewodność prezentują tylko srebro, miedź i złoto. Dzięki tym własnościom aluminiowe chassis jest chętnie używane w roli wspólnego uziemienia. Materiał ten jednak bardzo szybko pokrywa się na powierzchni izolującą elektrycznie warstewką tlenku Al₂O₃.

Jego własności izolacyjne są na tyle dobre, że chemicznie utleniane podkładki aluminiowe są używane na przykład do izolowania radiatorów. W praktyce mechaniczne połączenia aluminiowych elementów wykazują nieoczekiwanie dużą rezystancję. Dobrą przewodność złączom aluminiowym może zapewnić tylko ich zespawanie albo silne skręcenie za pośrednictwem ponacinanej podkładki. Przykłady takich połączeń przytoczono na rysunku 4.

Chassis są też wykonywane z niepodlegającej utlenianiu pokadmowanej lub pocynowanej stali. Jednak przewodność stali jest trzykrotnie niższa niż aluminium. Stal zapewnia za to ekranowanie magnetyczne i jest tańsza. W niewielkich konstrukcjach stosuje się czasem obudowy z ciśnieniowych odlewów z cynku, które pozwalają tworzyć skomplikowane w kształtach, lekkie i wytrzymałe konstrukcje.

Jednak przewodność cynku jest blisko czterokrotnie mniejsza niż miedzi. Wysoką przewodność zapewnia natomiast miedź srebrzona, której powierzchnia jest dobrze przewodząca i bardzo łatwo poddaje się lutowaniu. Przewodności i współczynniki temperaturowe różnych metali konstrukcyjnych zebrano w tabeli 1.

Pętle uziemiające

Rys. 5. Pętla uziemienia

Prądy uziemiające, które w urządzeniach płyną przewodami i chassis, tworzą tzw. pętle uziemiające, przyczyniające się do powstawania magnetycznych zaburzeń niskiej częstotliwości. W obwodach o zamkniętej pętli pola magnetyczne indukują przepływ prądów.

Głównymi źródłami pól magnetycznych w układach elektronicznych są nie tylko transformatory zasilające 50 Hz, ale także transformatory i dławiki zasilaczy impulsowych wysokiej częstotliwości, a także inne podzespoły elektromagnetyczne, jak przekaźniki, dławiki i silniki wentylatorów. Mogą to być także zewnętrzne pola magnetyczne. Mechanizm indukowania zaburzeń w pętli uziemiającej przedstawiono na rysunku 5. Według prawa Lentza w pętli jest indukowana SEM:

U=10^-8 · A · n dB/dt

gdzie A przedstawia powierzchnię pętli (cm²), B gęstość prostopadłego do niej jednorodnego strumienia magnetycznego [mT, mikrotesla], a n liczbę zwojów przewodu pętli.

Tabela 1. Przewodność metali

Jeśli przykładowo przyjąć, że w pobliżu przeciętnego transformatora sieciowego, przekaźnika lub wentylatora 50 Hz natężenie pola magnetycznego wynosi 10 mT, prostopadłego do uziemionej z obu końców pętli o powierzchni 10 cm², 1 cm ponad chassis, to indukowana SEM wyniesie:

U = 10^-8 · 10 · d/dt (10 · sin2π · 50·t) = 10^-8 ·10 · 1000 · π · cos ωt = 313 µVszczyt

Indukcja spowodowana polem magnetycznym jest zwykle zjawiskiem niskiej częstotliwości (jeśli nie w pobliżu nadajnika w.cz. dużej mocy) i jak widać z powyższego przykładu, wywołuje małe napięcia. Ale w przypadku sygnałów niskiego poziomu, np. audio czy z precyzyjnych przyrządów, nie są one pomijalne. Jeżeli pętla uziemienia znajduje się w obwodzie wejściowym, napięcie zaburzenia sumuje się z sygnałem wejściowym i nie można ich rozdzielić. Zapobiec temu można przez:

• przerwanie pętli, uziemiając obwód w jednym tylko punkcie,
• zmniejszenie powierzchni pętli (A w powyższym przykładzie), prowadząc przewód po powierzchni chassis lub skracając pętlę,
• zmniejszając natężenie składowej pola prostopadłej do pętli przez zmianę wzajemnego ich ukierunkowania,
• zmniejszając natężenie pola zakłócającego np. stosując transformator toroidalny.

Powrotne przewody zasilania

Rys. 6. Wspólny przewód powrotny zasilania

Schemat na rysunku 2 przewiduje indywidualne połączenia zwrotnych przewodów zasilania wszystkich trzech płytek w jednym wspólnym punkcie. Spadek napięcia, spowodowany prądem powrotnym zasilania płytki PD-2, będzie wynosił:

U_S = R_P (I_0V(2))

A jakie będą skutki poprowadzenia, dla oszczędności, przewodów jak na rysunku 3, zwrotnego przewodu zasilania płytki PD-3 wspólnie z przewodem płytki PD-2? Prądy powrotne I0 V obu płytek będą płynęły wspólnym przewodem (albo ścieżką drukowaną) o rezystancji R_P. Spadek napięcia na tym przewodzie wyniesie:

U_S = R_P (_I0V(2) + I_0V(3))

Napięcie to łączy się szeregowo z napięciami zasilania obu płytek, są więc one o to napięcie mniejsze.

Jeśli przykładowo I_0V(3) = 1,2 A przy UB+ = 24 V, jest to bowiem płytka zasilacza głównego, I_0V(2) = 50 mA przy UA+ = 3,3 V, jest to bowiem płytka z mikroprocesorem i układami logicznymi CMOS. Jeśli płytka zasilacza jest z jakichś przyczyn odległa od pozostałych płytek, a łączy je np. 7 m przewodu 0,2 mm o rezystancji około 0,2 W, to spadek napięcia U_S będzie U_S = 0,2 (1,2 + 0,05) = 0,25 V.

Spowoduje to obniżenie napięcia zasilania z 3,3 V do 3,05 V, niezależnie od dopuszczalnej tolerancji i innych przyczyn. Drobny, zdawałoby się, błąd montażowy może mieć skutki niedopuszczalne. Oczywiście ten sam spadek napięcia odejmie się od napięcia zasilania 24 V, ale różnica 1% będzie miała na układ pomijalny wpływ.

Zmienne obciążenia

Rys. 7. Sposoby łączenia przewodów powrotnych zasilania

Jeśli natężenie prądu zasilania (1,2 A) jest zmienne, na przykład gdy różne przekaźniki są w różnych momentach włączane niezależnie od siebie, to spadek napięcia U_S będzie się również zmieniał, co może być jeszcze bardziej szkodliwe.

Może bowiem wywoływać zawodne działanie procesora, zmieniać napięcia progowe, przyczyniać się do niepewnego działania przekaźników lub warkotu w kanałach audio.

W przypadku prawidłowego rozdzielnego połączenia przewodów zasilania napięcie 24 V zostanie obniżone tak samo o 1%, a obniżenie napięcia 3,3 V będzie niezauważalne. Zasadą powinno być oddzielne łączenie zasilania podzespołów układu, co ilustruje rysunek 7.

Rys. 8. Sposób oddzielnego łączenia zasilania

Zasady tej należy przestrzegać również wtedy, gdy podzespoły są zasilane przez jeden wspólny zasilacz, jak na rysunku 8. Przytoczony powyżej przykład liczbowy został przygotowany nieco przesadnie, zasilanie rozprowadza się zazwyczaj grubymi i krótkimi przewodami, rezultaty są jednak takie same, choć nie tak przesadzone. Spadek napięcia na przewodach warto przeliczać, bo czasem może się okazać nieoczekiwanie duży.

Trzeba jednak pamiętać, że impedancję przewodów nie zawsze można traktować jako rzeczywistą. Zawsze ma składową indukcyjną, niepomijalną dla napięć przemiennych, zwłaszcza wyższych częstotliwości. Jeden metr przewodu O 0,2 mm charakteryzuje rezystancja 38 m? i indukcyjność 1,5 µH. Prąd stały o natężeniu 4 A wywoła na nim spadek napięcia 152 mV. A prąd przemienny zmieniający się z szybkością 4 A/ms wywoła spadek 6 V. Różnica okazuje się spora!

Uziemienie obwodu wejściowego

Dwuprzewodowy obwód sygnału wejściowego poprawnie uziemia się bezpośrednio na płytce drukowanej w punkcie odniesienia wzmacniacza wejściowego. Przedstawia to rysunek 9a. W ten sposób w szereg z sygnałem na wspólną impedancję nie jest wprowadzane żadne niepożądane dodatkowe napięcie. Kolejne wersje niewłaściwego sposobu uziemiania są przedstawione na rysunku 9b-d, ilustrujących wpływ impedancji x-x jako źródła zaburzeń, wywoływanych prądami przez nią przepływającymi.

Rys. 9. Uziemianie wejściowego obwodu sygnałowego

Przypadek (b) zazwyczaj wynika z niedostatecznej kontroli sposobu rozmieszczenia elementów, zwykle dokonywanego za pomocą komputerowego programu rozmieszczania. W większości oprogramowania EDA zakłada się, że szyna 0 V jest węzłem pojedynczym, do którego można dokonywać połączeń z dowolnego punktu ścieżki sygnału.

Uniknąć tego można albo przez uznanie wejściowego punktu zerowego za osobny węzeł i przyłączenie go później, albo poprawnie zmodyfikować ostateczne rozmieszczenie. Przy rozmieszczaniu sposobem tradycyjnym ten sam błąd może wyniknąć z braku kontaktu projektanta układu z projektantem rozmieszczenia elementów.

Przypadek (c) jest często spotykany, gdy biegun masy koncentrycznego złącza wejściowego, na przykład BNC, jest w naturalny sposób połączony z metalową obudową albo gdy dla oszczędności masy wspólnie łączy się różne złącza, wejściowe, wyjściowe czy sterujące, różnych płytek. W razie niskiego poziomu sygnałów jest to oszczędność złudna. Należy raczej użyć złączy BNC z izolującymi podkładkami lub zmontować je na wydzielonej listwie, odizolowanej od obudowy.

Wyprowadzenie sygnału z nieizolowanego złącza BNC do płytki drukowanej przewodem koncentrycznym, którego oplot jest połączony zarówno z masą BNC, jak i z zerem płytki, jeśli nie jest jedynym połączeniem uziemiającym, utworzy pętlę uziemiającą. Dotyczy to jednak tylko niskich częstotliwości, ponieważ przy wielkich energia sygnału koncentruje się w kablu.

Chociaż przypadek (d) jest najgorszy z możliwych, to nie jest spotykany najrzadziej. Z sygnałem wejściowym są wtedy mieszane nie tylko wewnętrzne zaburzenia układowe, ale także wszelkie zewnętrzne. Różnice pomiędzy napięciami uziemienia o częstotliwości sieciowej w szczególnie niekorzystnych miejscach, jak w pobliżu siłowni, mogą dochodzić do 50 V, a kilkuwoltowe nie są rzadkie.

Takie konfiguracje zdarzyć się mogą w przypadku, gdy przewód sygnałowy jest już silnie uziemiony w odległym od urządzenia miejscu. Trudności takie można pokonać użyciem wzmacniacza różnicowego, jak na rysunku 9e, który jest często jedynym dla słabych sygnałów, logicznym rozwinięciem poprawnego jednoprzewodowego układu (a).

Wszystkie układy od (b) do (d) działają bezbłędnie, gdy sygnał wejściowy jest o kilka rzędów wielkości większy od zaburzeń uziemieniowych. W takim przypadku często można ze względów praktycznych zastosować dowolny sposób uziemiania. Trzeba jednak zawsze uprzednio się upewnić, że opisane zaburzenia w docelowym rozwiązaniu nie wystąpią.

Uziemianie obwodu wyjściowego

Analogiczne środki ostrożności w stosunku do sygnałów wyjściowych należy przedsięwziąć z przyczyn odwrotnych. Wejścia są podatne na zaburzenia, a wyjścia bywają ich źródłami. W układach elektronicznych przeważnie pomiędzy wejściami a wyjściami występuje wzmocnienie, wyjścia operują więc większymi prądami, co może wywoływać niepożądane sprzężenia zwrotne.

Rys. 10. Sprzężenie wyjścia z wejściem

Analogiczne do sprzężeń prądów zasilających są sygnałowe sprzężenia uziemień obwodów wejściowych z wyjściowymi, gdy ich prądy uziemiające płyną wspólnym przewodem, co ilustruje rysunek 10a. Sprzężenie zwrotne powstaje na rezystancji R_S, wówczas

U_WEJ = U_WEJ - (I_WYJ · R_S)

Na schemacie na rysunku 10b, zmodyfikowanym w odniesieniu do uziemienia wzmacniacza, jest to wyraźniej widoczne. Wzmocnienie wzmacniacza będzie:

Układ ten będzie oscylował, jeśli wyrażenie

będzie mniejsze od -1. Innymi słowy, wzmacniacz odwracający uniknie niestabilności, jeśli stosunek impedancji obciążenia do impedancji wspólnej będzie mniejszy od jego wzmocnienia. Ale nawet gdy wzmacniacz zachowuje stabilność, dodatkowe sprzężenie na rezystancji R_S zaburza jego działanie. Trzeba pamiętać, że wszystkie powyższe wielkości są zależne od częstotliwości i to w sposób złożony.

Zatem zachowanie wzmacniacza przy wielkich częstotliwościach może być trudne do przewidzenia. Powyższe rozważanie zostało przedstawione dla układu analogowego, ale każdy system ze wzmocnieniem ma takie same własności, również układ o analogowym wejściu i cyfrowym wyjściu.

Unikanie wspólnej impedancji

Najlepszym rozwiązaniem jest całkowita eliminacja wspólnej impedancji poprzez staranne rozmieszczenie uziemienia wejściowego i wyjściowego. Uziemienia wejściowe zostały omówione uprzednio, konfigurowanie wyjściowych jest podobne. Uziemienie wyjściowe powinno się znaleźć dokładnie w punkcie, z którego jest pobierany prąd wyjściowy, bez żadnych uziemień pośrednich.

Prąd wyjściowy zwykle płynie z zasilacza, najlepiej więc odprowadzać go do uziemienia zasilacza. Zatem PCB-3 na rysunku 2 powinna mieć oddzielne odprowadzenie uziemienia wysokoprądowego obwodu wyjściowego, jak na rysunku 11a, albo bezpośrednio do zasilacza, jak na rysunku 11b.

Rys. 11. Przewód powrotny sygnału wyjściowego

Jeśli obwody znajdujące się na PCB-3 nie są podatne na wpływ spadku napięcia na R_S, dopuszczalne jest rozwiązanie (a). Tę decyzję należy podjąć z wyprzedzeniem, wiedząc, którędy płyną prądy uziemiające, upewniając się, że nie wpłyną negatywnie na działanie pozostałych podzespołów układu. Wymaga to znajomości impedancji wszystkich wspólnych połączeń, wielkości i pasma częstotliwości prądów wyjściowych i podatności obwodów, które mogą zostać narażone.

Sygnały międzypłytkowe

Rys. 12. Zaburzenia uziemienia międzypłytkowego

Sygnały przesyłane od płytki do płytki to zwykle cyfrowe sygnały sterujące lub przetworzone sygnały analogowe. Nie są one na tyle słabe, aby ulegały wpływom zaburzeń uziemieniowych, ani na tyle wysokoprądowe, aby takie zaburzenia generować. Nie powinny one jednak w rozważaniach o uziemieniach być zawsze pomijane, problemem jest, jak je traktować.

Często się o nich nie myśli. Jeśli uziemienia nie są między płytkami wprowadzane, a prądy zwrotne muszą płynąć przez zasilacz, międzypłytkowy interfejs będzie poddany wszystkim uziemieniowym zaburzeniom U_N, pojawiającym się pomiędzy nimi (rys. 12).

Jednak jeśli sposób uziemiania jest dobrze przemyślany, zaburzenia te nie muszą zakłócać działania interfejsu. Jeżeli na przykład zaburzenia wprowadzane w szereg z logicznym interfejsem CMOS, o jednowoltowym marginesie, są wielkości 100 mV, to ich wpływ jest pomijalny. A dobrze filtrowany na wejściu interfejsu przydźwięk sieciowy w analogowym sygnale DC będzie tolerowalny.

Oddzielanie połączenia powrotnego sygnału

Rys. 13. Prądy powrotne zasilania płynące przez połączenia międzypłytkowe

Bywa, że długie przewody powrotne nie sprawdzają się w interfejsie. Jest tak, gdy są wprowadzane szybkie sygnały cyfrowe, a przewód powrotny ma wywołującą tłumione oscylacje zbyt dużą indukcyjność. Zwalczanie tego efektu uziemiającym połączeniem międzypłytkowym prowadzi do ryzyka wprowadzenia alternatywnej drogi dla prądów zwrotnych zasilania i zaprzeczenia sensu lokalnego uziemienia.

Zależna od stosunku impedancji część prądu zwrotnego zasilania popłynie połączeniem lokalnym (rys. 13), co nie rozwiązuje problemu.

Rys. 14. Rozdzielanie przewodów powrotnych zasilania

Jeśli lokalny przewód powrotny rzeczywiście jest potrzebny, ale przeszkodę tworzą prądy zwrotne uziemień, można to rozwiązać na dwa sposoby:

• przez oddzielenie uziemienia wejścia interfejsu (rys. 14) od pozostałej masy na tej płytce drukowanej. Spowoduje to przesunięcie punktu wejścia zaburzeń do płytki za bufor wejściowy, co powinno wystarczyć. Można to rozwiązanie rozwinąć, wprowadzając pomiędzy x-x kilkuomowy rezystor powstrzymujący. Zatrzyma on przepływ uziemiającego prądu DC, jego impedancja jest bowiem większa od impedancji normalnej ścieżki przepływu, ale skutecznie wiąże bufor wejściowy z jego podstawowym uziemieniem dla wielkich częstotliwości i zapobiega pozostawieniu płytek bez połączenia w razie utraty kontaktu między płytkami.
• przez użycie w interfejsie połączenia różnicowego. Prądy sygnału zostają zrównoważone i nie wymagają uziemienia. Wszystkie zaburzenia są indukowane w trybie wspólnym i są eliminowane na wejściu bufora. To rozwiązanie jest zwykle używane dla szybkich sygnałów niskiego poziomu na większe odległości, ale nadaje się również do połączeń międzypłytkowych. Jest oczywiście droższe od zwykłego sposobu jednoprzewodowego, wymaga bowiem specjalnych buforów i odbiorników różnicowych.

Interfejsy międzypłytkowe, uziemianie gwiazdowe i ekranowanie

Jednym ze sposobów uziemiania w układach jest gwiazdowe łączenie wszystkich uziemień w jednym wspólnym punkcie. Rysunek 2 pokazuje takie połączenia chassis, zera sieci, masy zasilacza i 0 V urządzenia. Punkt ten jest zwykle pośrednim punktem wspólnej masy w urządzeniach z płytkami drukowanymi. Ten sposób połączenia jest bardzo wygodny, oferując wspólny punkt odniesienia dla pomiarów, a także czujników napięć zasilania. Ale przy większej liczbie połączeń taki punkt staje się kłopotliwy i nie nadaje się do dokładnej analizy dróg prądów zwrotnych uziemienia.

Połączenia masy pomiędzy urządzeniami

Rys. 15. Połączenie uziemień urządzeń poprzez przewody sieci elektrycznej

Zasady uziemiania okazują się często mało skuteczne, gdy przychodzi do łączenia ze sobą urządzeń. Projektant zwykle nie ma wpływu na sposób, w jaki urządzenia są instalowane, albo jest w praktyce zmuszony do respektowania przepisów bezpieczeństwa czy innych wymagań, co może być z zasadami poprawnego uziemiania sprzeczne.

Klasycznym tego przykładem jest połączenie dwóch zasilanych z sieci energetycznej urządzeń jednym lub kilkoma kablami sygnałowymi (rys. 15). Jest to przykład najprostszy, ale w praktyce można się spotkać z bardziej złożonymi konfiguracjami, składającymi się z większej liczby składników, o różnych sposobach uziemiania czy mechanicznego łączenia.

Zaburzenia uziemieniowe U_N, przenoszone poprzez zerowy przewód sieci elektrycznej, są nieprzewidywalne i nie dają się kontrolować. Jeśli oba urządzenia są przyłączone do tego samego gniazdka sieciowego, UN może być bardzo małe, nigdy jednak nie zerowe, ponieważ trochę zaburzeń jest indukowanych na skutek bliskości przewodów fazy i zera.

Rys 16. Pętla uziemienia obejmująca uziemienie obwodu sygnałowego i przewody sieci elektrycznej

Ale taka konfiguracja nie może być zalecana, gdy urządzenie są zasilane z różnych odległych gniazdek, zwłaszcza odmiennych obwodów, gdy drogi uziemienia mogą być długie i obejmować wiele zakłócających źródeł. Amplituda zaburzeń może wynosić od mniej niż jednego miliwolta w bardzo spokojnej lokalizacji do kilku, a nawet kilkudziesięciu woltów w innej. Zaburzenia te sumują się szeregowo z sygnałem.

W celu połączenia razem uziemień obwodów sygnałowych każdego z urządzeń prowadzi się zwrotne połączenie uziemiające wraz z sygnałem tym samym kablem, ale wtedy:

• prądy zaburzeń będą płynąć przez uziemienie sygnału, zatem istotne jest, aby rezystancja zwrotna R_S była znacznie mniejsza od rezystancji źródła zaburzeń R_N - jak bywa zazwyczaj, chociaż nie zawsze - w przeciwnym przypadku zburzenia uziemieniowe nie zostaną zredukowane,
• zostanie utworzona pętla uziemieniowa (rys. 16), której powierzchnia jest zwykle obszerna i zmienna oraz przecina wiele pól magnetycznych, więc ryzyko indukowania się w niej prądów uziemieniowych jest duże.

Przerwanie uziemienia

Jeśli czułość obwodu sygnałowego na zakłócenia jest na tyle duża, że oczekiwane zaburzenia środowiskowe mogą ten obwód zakłócić, istnieje do wyboru kilka opcji:

• odłączenie połączenia z uziemieniem sieci elektrycznej, co przerwie sieciową pętlę uziemieniową. Tak jest w przypadku zasilania bateryjnego, co jest argumentem za używaniem urządzeń bateryjnych. Dla urządzeń o bezpieczeństwie klasy I (uziemionych), zasilanych z sieci elektrycznej, nie jest to możliwe, ponieważ nie zapewnia bezpieczeństwa.
• przesyłanie informacji sygnałowej za pośrednictwem oddzielnego połączenia, podobnie jak zalecono dla sygnałów międzypłytkowych. Chociaż zwrotny przewód uziemieniowy nie jest dla sygnału konieczny, jego użycie jest wskazane, aby uchronić się przed powstaniem zbyt dużej różnicy napięcia pomiędzy urządzeniami. Sygnały zakłócające sygnał użyteczny przedostają się teraz w trybie wspólnym, są więc w układzie tłumione aż do granicznej wielkości, zwykle kilku woltów.

Interfejs powinien zostać izolowany elektrycznie. Pociąga to za sobą całkowite przerwanie bezpośredniego elektrycznego połączenia i przesyłanie sygnału inną drogą, na przykład przez transformator, fotozłącze lub światłowód. Pozwala to na łączność ponad zaburzeniami nawet kilkusetwoltowymi w zależności od napięciowej wytrzymałości izolacji. Umożliwia to też przesyłanie niskonapięciowych sygnałów AC w obecności umiarkowanego poziomu zaburzeń, których w inny sposób wyeliminować się nie da.

Ekranowanie

Rys. 17. Połączenia ekranu kabla łączącego

Kable ekranowane służą do ochrony przesyłanych sygnałów przed zakłóceniami i do zapobiegania emisji z nich zaburzeń. Ale te proste zadania w praktyce nie są łatwe do realizowania.

Powstaje pytanie, z którego końca i do czego należy kabel uziemić? Odpowiedź nie jest jednoznaczna, zależy bowiem od aplikacji. Kabel używany do połączenia dwóch urządzeń, zamkniętych w ekranowanych obudowach chroniących przed przenikaniem do nich energii w.cz. lub przed jej z nich emisją, powinien być traktowany jak przedłużenie obudów i połączony z nimi z obu stron niskoindukcyjnymi złączami, najlepiej bezpośrednio ekranem, jak pokazuje rysunek 17.

Jeśli obie obudowy są uziemione oddzielnie, razem tworzą pętlę uziemieniową, stwarzającą ryzyko sprzężenia magnetycznego. Znaczenie takiego sprzężenia maleje ze wzrostem częstotliwości, zatem w aplikacjach wielkich częstotliwości nie stanowią problemu. Jednak nie jest tak dla niskich częstotliwości, przy których uziemienie jest dopuszczalne w jednym tylko punkcie, a rozwiązaniem jest użycie podwójnie ekranowanego, ale droższego, kabla.

Ekranem kabla nie powinny płynąć prądy powrotne, chyba że jest to użyty do w.cz. kabel koncentryczny. Indukowane w nim prądy zakłócające dodadzą się do sygnału, udaremniając działanie ekranu. Zwykle do niezakłóconego przenoszenia słabych sygnałów używa się wysokoimpedancyjnej pary przewodów, które są niestety podatne na sprzężenia pojemnościowe. Ekran kabla nie chroni przed magnetycznym indukowaniem się zaburzeń, skuteczniejsze jest stosowanie skrętki.

Z którego końca kabla uziemiać ekran, chcąc ekranować niskie częstotliwości?

Rys. 18. Sposoby łączenia ekranu kabla

Jeśli źródło sygnału jest jednoprzewodowe i uziemione, ekran kabla należy uziemić od strony wejścia wzmacniacza. A swobodny ekran źródła należy połączyć z ekranem kabla. Jeśli jednak ekran źródła jest uziemiony, z ekranem kabla utworzy niepożądaną pętla uziemieniową. Jej indukowany w ekranie prąd uziemieniowy sprzęgnie się z sygnałem.

Jeden lub oba końce kabla powinny pozostać swobodne, w zależności od względnej wielkości nieuniknionego sprzężenia pojemnościowego do ziemi (C_C), istniejącego z obu jego końców. Jeśli jest wybór, a zwykle dotyczy to strony wejściowej (może to być przetwornik lub czujnik), o mniejszej pojemności sprzęgającej, to powinna ona pozostać swobodna.

Jeśli źródło jest pojedyncze i uziemione, to ekran kabla powinien zostać uziemiony od strony źródła i albo pozostawiony swobodny od strony wejścia (różnicowego), albo połączony przez dławik lub niskoomowy rezystor z masą wzmacniacza. Zapewni to połączenie DC i m.cz., a zablokuje przepływ przez ekran dużego natężenia indukowanych prądów w.cz. Ekran nie powinien być uziemiony z drugiej strony. Opcje te są przedstawione na rysunku 18.

Rys. 19. Pojemność przewodów do ekranu

Jeśli ekranowany kabel jest użyty do ochrony przed promieniowaniem elektrostatycznym linii wyjściowych lub międzyurządzeniowych, pętla uziemieniowa nie stwarza kłopotów z powodu niepodatności sygnałów na zakłócenia, zatem ekran kabla najlepiej uziemić po obu końcach.

Istotne jest, że każdy przewodnik ma rozłożoną (i mierzalną) pojemność do ekranu, więc jeżeli przewodnikiem są przesyłane sygnały AC, ekranem będą one także płynęły (rys. 19). Prądy w ekranie powinny mieć zapewnioną uziemiającą drogę powrotną o niskiej impedancji, aby napięcia na ekranie nie były znaczne. To samo odwrotnie odnosi się do zaburzeń indukowanych przez ekran w przewodach.

Powierzchniowa impedancja przejściowa

Pojęcie powierzchniowej impedancji przejściowej przy wysokich częstotliwościach jest użyteczną miarą skuteczności ekranowania. Jest to stosunek napięcia pomiędzy przewodnikiem wewnętrznym a zewnętrznym kabla ekranowanego, wywoływanego oddziaływaniem prądu płynącego w ekranie, do długości kabla, wyrażony w miliomach na jednostkę długości (mΩ/m). Nie należy go mylić z impedancją falową, nie ma z nią nic wspólnego.

Typowy kabel ekranujący ma około 10 mΩ/m poniżej 1 MHz, a ze wzrostem częstotliwości powierzchniowa impedancja przejściowa rośnie z szybkością 20 dB/dekadę. Zwykłe ekrany aluminium/ folia mylarowa są o około 20 dB gorsze. Niestety producenci kabli rzadko podają tę wielkość. (KKP)