آشنایی مقدماتی زمین سازی در مهندسی سازگاری الکترومغناطیسی : زمین سازی در مهندسی سازگاری الکترومغناطیسی حائز اهمیت فراوان می باشد . در حالت کلی زمین سازی به دو بخش زمین سازی ایمنی و زمین سازی سیگنال تقسیم می شود . زمین سازی ایمنی در حقیقت یک مبحث ویژه در مهندسی قدرت می باشد و از نظر طراحی خیلی به مهندسی سازگاری الکترومغناطیسی ارتباط پیدا نمی کند .
اما آنچه زمین ایمنی را برای مهندسان سازگاری الکترومغناطیسی مهم می کند نحوه ارتباط زمین ایمنی با زمین سیگنال و عملکرد سیستم برای روش های مختلف این ارتباط است .
در این مقاله ابتدا کلیات زمین سازی سیگنال مستقل از نوع کاربرد در سیستم ها مورد بررسی قرار می گیرد . در مقاله های بعدی کاربردها و موارد استفاده انواع زمین سازی ها در سیستم های مختلف مورد بررسی قرار می گیرد .
لازم به ذکر است که زمین سازی در برخی موارد خاص چون خودروها ، هواپیماها ، شناورهای دریایی و ادوات زرهی نظامی ضمن تبعیت از اصول کلی باید مورد بررسی دقیق تر با توجه به محدودیت خاص خودشان قرار گیرند که البته از حوضه این مقاله خارج است .
تعریف زمین و کاربردهای مختلف آن
جریانی که از منبع وارد مدار می شود بالاخره باید به مدار اصلی باز گردد .
بنا بر تعریف ، زمین مسیر بازگشت سیگنال را برای ما تامین می کند .
البته در حالت کلی زمین ایمنی نیز یک مسیر برگشت برای جریان فراهم می آورد ، اما معمولا زمین ایمنی به گونه ای طراحی و مورد استفاده قرار می گیرد که فقط در موارد خطر مثل برق گرفتگی پرسنل ، یا رعد برق یا تخلیه الکترواستاتیکی از آن جریان زیادی عبور می کند ، اما در موارد کارکرد عادی سیستم هیچ گونه جریانی از آن نمی گذرد .
از لحاظ تاریخی ریشه لغت زمین از مهندسی قدرت هنگام استفاده از زمین زیر پای ما به عنوان مسیر برگشت سیگنال در کاربردهای انتقال توان در مسیرهای طولانی رایج شد .
شکل 1-1 زمین به عنوان مسیر برگشت سیگنال در کاربرد های انتقال توان در مسیر های طولانی
دقت کنید که زمین سیگنال به مفهوم مصطلح در EMC ممکن است هم پتانسیل با زمین زیر پای ما یا زمین ایمنی نباشد .
زمین سیگنال در مهندسی سازگاری الکترومغناطیسی دارای کاربردهای متعددی است که به بررسی هر یک می پردازیم .
صفحه هم پتانسیل
زمین سیگنال به مفهوم مصطلح در EMC یک صفحه هم پتانسیل و نقطه مرجع محاسبه پتانسیل برای مدار است . بنابراین در حالت ایده آل ، زمین یک صفحه هم پتانسیل با امپدانس صفر است ، اما هر فلز دارای مقداری امپدانس تابع بسامد می باشد که دست یابی به زمین ایده آل را غیر ممکن می سازد . بنابراین در چنین مواردی عبور جریان از صفحه زمین (که البته چاره ای هم از آن نیست) میتواند صفحه زمین را از حالت مرجع پتانسیل (صفحه هم پتانسیل) خارج نماید . بنابراین در بسامدهای بالا ممکن است نقاط مختلف صفحه زمین دارای پتانسیل های مختلفی باشند .
“از این به بعد منظور از گقتن زمین ، زمین سیگنال است”
دیدیم که زمین ، در حقیقت مرجع پتانسیل برای همه مدار است . در چنین شرایطی لزوما این صفحه باید به عنوان فراهم آورنده مسیر بازگشت سیگنال به منبع اصلی نیز عمل نماید . البته باید توجه کرد که تضمینی برای این کار در همه بسامدها وجود ندارد .
مفهوم زمین در مدارات PCB فقط محدود به یک صفحه فلزی نیست .
زمین مدارات مذکور می تواند به صورت یک سیم ، یک نوار و یا یک شبکه متقاطع از نوارها باشد .
برای مقایسه کیفیت انواع مختلف زمین در کاربردهای مختلف ، امپدانس زمین (مقاومت و اندوکتانس) در بسامد مورد نظر عامل مهمی است .
کاهش تشعشع و حساسیت مدارات
یکی دیگر از موارد استفاده صفحات زمین در مدارات PCB افزایش ایمنی مدارات در برابر تشعشعات خارجی و کاهش تشعشعات از مدارات PCB می باشد . در شکل 1-2 دومدار PCB نشان داده شده است . مدار اول ، یک مدار مسطح است که صفحه زمین در آن وجود ندارد و مدار دوم دارای صفحه زمین است .
شکل 1-2 دو مدار PCB یکی با صحفه زمین و دیگری بدون آن
تشعشع از هر دو مدار در بسامد 50 مگاهرتز در یک تحقیق اندازه گیری شده است . نتایج این اندازه گیری در شکل زیر نشان داده شده است . میدان تشعشعی توسط یک پراب میدان الکتریکی همان طور که در شکل نشان داده شده است در میدان نزدیک اندازه گیری شده است .
شکل 1-3 مقایسه تشعشع از دو مدار PCB یکی با صحفه زمین و دیگری بدون آن
همان گونه که از شکل ها پیداست تشعشع در حالت با صفحه زمین به شدت کاهش پیدا کرده است . با استفاده از اصل بابینه اگر سیستمی تشعشع گر بدی باشد حتما گیرنده ی بدی نیز می باشد . اصل بابینه بیان می کند که پترن تشعشعی و گیرندگی سیستم ها یکی است .
بنابراین زمین سازی علاوه بر کاهش تشعشع سیستم ها باعث کاهش حساسیت آن ها نیز میشود البته باید توجه کرد که تشعشع در میدان دور اساسا با تشعشع در میدان نزدیک متفاوت است .
مسیر بازگشت سیگنال به منبع
این کاربرد در حقیقت اصلی ترین کاربرد صفحه زمین است . در این کاربرد البته زمین می تواند به صورت یک مسیر باریک نیز انتخاب شود . اما با توجه به سایر کاربردهای زمین معمولا از صفحه زمین استفاده می شود . بنابراین زمین سیگنال ، در حقیقت فراهم آورنده مسیر بازگشت سیگنال به منبع اصلی می باشد . البته باید توجه کرد که تضمینی برای این کار در همه بسامدها وجود ندارد . مسیر بازگشت سیگنال میتواند با زمین ایمنی یکی باشد یا مستقل باشد . اگرچه ترجیح این است که یکی نباشد . در شکل زیر یک کابینت فلزی که بدنه آن به عنوان زمین ایمنی مورد استفاده قرار رفته را نشان می دهد . در درون این کابینت دو مدار حساس و غیر حساس نشان داده شده است که برای مدار غیر حساس از بدنه کابینت برای مسیر بازگشت سیگنال استفاده شده است. برای مدار حساس یک مسیر بازگشت جداگانه در نظر گرفته شده است .
شکل 1-4 انتخاب مسیر بازگشت برای سیستم های حساس و غیر حساس
کاهش تداخل با هم پتانسیل نمودن مراجع پتانسیل
در شکل زیر یک مبدل آنالوگ به دیجیتال مشاهده می شود . مطلوب این است که مراجع پتانسیل هر دو طرف مدار یکی شوند و به عبارت دیگر اختلاف پتانسیل نشان داده شده در شکل صفر شود . این کار با اتصال هر دو مرجع به یکدیگر توسط یک سیم انجام می شود . کاربرد این سیم فقط هم پتانسیل کردن است و در حالت عادی جریانی از آن نمی گذرد . اگر این اختلاف پتانسیل وجود داشته باشد نوعی تخریب در عملکرد سیستم ناشی از نویز مود مشترک به وجود می آید .
شکل 1-5 باید مراجع پتانسیل قسمت های آنالوگ و دیجیتال یکی شوند .
در شکل زیر قسمت های آنالوگ و دیجیتال برای عملکرد صحیح نیازی به یک مرجع پتانسیل یکسان ندارند . اما برخلاف این حقیقت ، لازم است در نزدیک ترین نقطه هم پتانسیل شوند ، تا نویز مود مشترک که در قسمت آنالوگ ایجاد شده است ، کمترین نویز را در قسمت دیجیتال القاء کند . باید توجه کرد این هم پتانسیل کردن باید از نزدیک ترین قسمت به مبدل A/D قرار داده شود . لازم به ذکر است اتصال دوم از محل تغذیه غلط است ، چون باعث می شود سیگنال های فرکانس پایین در حد چند کیلو هرتز مسیری برای چرخش بین دو مدار پیدا نمایند . اتصالات متعدد زمین باعث می شود مسیر سیگنال های فرکانس پایین غیر قابل کنترل شود .
شکل 1-6 جهت کاهش تاثیر نویز مود مشترک در قسمت آنالوگ باید مراجع پتانسیل قسمت های آنالوگ و دیجیتال یکی شوند .
کاهش تشعشع و حساسیت نسبت به تابش امواج خارجی در کابل های هم محور
یکی دیگر از کاربرد زمین سازی کاهش تشعشع و حساسیت نسبت به سیگنال های تابشی خارجی در کابل های هم محور می باشد . کابل های هم محور معمولا برای انتقال سیگنال هایی به کار برده میشوند که نسبت به تابش سیگنال های خارجی خیلی حساس هستند و باید از تداخل تا درجه زیادی محافظت شوند .
مشکل هنگامی حادتر میشود که فاصله سیستم مبدا و مقصد زیاد باشد و در این فاصله انواع سیگنال های تداخلی با بسامد های مختلف و توان قابل توجه در حال تشعشع باشند . در این گونه موارد هم باید زمین یا مرجع مناسبی برای سیگنالینگ بین فرستنده و گیرنده ایجاد نمود و هم باید از ایجاد یک حلقه که حساسیت نسبت به تابش را افزایش می دهد جلوگیری نمود . این دو هدف در تضاد با هم هستند ، لذا در این مورد تمهیدات خاصی برای بسامدهای مختلف با توجه به ابعاد مدار باید اتخاذ گردد که در جای خود مورد بررسی قرار میگیرد .
بی کامپو قادر به طراحی انواع برد های الکتروینکی است برای مشاهده بیشتر کلیک کیند .
