Bu web sitesinde; FORUM, BLOG ve MENÜ' lerde üyelik gerektiren makalelere tam erişim için Lütfen BLOG' a üye olunuz.
"Cihaz ve Sistem Geliştirmede EMC Tasarımı" Eğitimimize Katılın...
100' e yakın şirkete verdiğimiz eğitimimiz hakkında ayrıntılı teknik bilgi için lütfen tıklayınız...
Eğitim faaliyetlerimize katılımlara ait görsellere bakmak için tıklayınız.
EĞİTİMİMİZE KATILIN... MESLEKİ BİLGİNİZİ DAHA DA ARTIRIN...
Diğer firmaların vermeye çalıştığı ve sadece MIL-STD askeri veya sivil standartlarının anlatıldığı eğitimlerden farklıyız...!
Standartların yanı sıra; Tasarım ve Pratik eğitim veriyoruz....!
Ülkemizde teorik ve pratik EMI / EMC eğitimini bir arada veren ilk ve tek eğitimde; sınırlı sayıda kontenjan için bir an önce yerinizi ayırınız.
Kayıt ve diğer bilgiler için tıklayınız...
Türkiye' deki Sivil ve Askeri cihaz devre tasarımı ve EMC konusundaki en kapsamlı ve Türkçe içerikli web sitesine hoş geldiniz.
Elektronik kartlarda Koruyucu Toprak (Protective Earth), Toprak (Fonsiyonel), Şasi Toprak (Chassis Ground), Sinyal Toprak (Signal Ground)
Indeks
-
Giriş
-
“Toprak (Ground)” nedir? Toprak tipleri nelerdir?
-
Topraklama sembolleri
-
Sembollerin uygulanması ve ilgili standartlar
-
Koruyucu Toprak / Protective Earth
-
Neden güvenlik için Koruyucu Toprak (Protective Earth) kullanılıyor?
-
Elektronik devre üzerindeki “Fonksiyonel toprak / Earth (Functional)”
-
Çerçeve / Şasi / Kasa Toprak (Frame / Chassis Ground)
-
Sinyal Toprak (Signal Ground), Analog Toprak (Analog Ground)
-
Toprak bağlantısıyla ilgili Pratik Uygulamalar
-
Sinyal Toprak (Signal Ground) veya Analog Toprak (Analog Ground) sinyallerini yönetme
-
Elektronik kartlarda Toprak ( Ground) bağlantılarının EMI/EMC yönetimi
-
Elektronik kart üzerinde
-
"Faraday Kafesi" ve toprak (ground) kullanımı
-
Devre üzerinde temel toprak (ground) dağıtım şekilleri
-
Yayılan EMC açısından toprak (ground) dağıtımı
-
Tipik 10/100BaseT alıcı/verici ara yüz devresinde toprak (ground) kullanımı
-
Elektronik kart üzerinde AC-DC, DC-DC güç kaynağı devrelerinin toprak (ground) yerleşimi ve kullanımı
-
Telekom sistemlerinde toprak (ground) bağlantısının anlaşılması (-48VDC)
-
Batarya bloklarında Toprak bağlantısının anlaşılması
-
Raf sistemine sahip kabinlerde toprak bağlantısı
Giriş
Mühendisler, "nötr" veya sıfır potansiyel olan bir sistemin veya yapının bir kısmını belirtmek için her elektronik devrede "Toprak (Ground)" kelimesini kullanırlar. Ne yazık ki çoğu zaman; devreleri ve sistemleri, özellikle hem analog hem de dijital sinyalleri olan devreleri, birden fazla toprağa sahip olarak düşünürüz!
"Zemin / Toprak (Ground)" terimi, elektronikte en çok kullanılan kelimelerden biridir ve aynı zamanda en sık yanlış kullanılan ve yanlış anlaşılan terimlerden biridir.
Neyse ki, birçok yanlış kullanım durumunda, onu kullanan mühendisler gerçekte neye atıfta bulunulduğunu bilirler ve bunu dahili olarak tercüme edebilirler ve böylece olumsuz sonuçlardan kaçınabilirler. Bununla birlikte, terimin uygunsuz veya çok rastlantısal kullanımının iletişimsizliğe yol açtığı birçok durum vardır.
Terminolojide böylesine özensiz kullanımı olan başka bir terim olduğunu düşünmüyorum. Bu yanlış anlaşılan terminoloji iyi bilinmediği için ustadan çırağa hala yanlış aktarılmaya devam ediyor.
Pek çok "temel" türü olan “Zemin / Toprak (Ground)” fonksiyonu, gerçekten temel alınmadan hareket edildiği için tasarımlarda özensizliğe yol açmaktadır. Bu durumda EMI/EMC problemlerine şapka çıkarmaktadır.
Bu durumda; “Toprak (Ground)” sembolü bir devrenin farklı noktalarında görünmeye devam ediyor ve topraklama için neden belirli bir yerin seçildiğini kimi mühendisler anlamayabiliyor.
“Ben 25 yıllık tecrübeye sahip bir donanım mühendisi olarak şunu söyleyebilirim. Bir donanımcı “Toprak (Ground)” nedir? Bunu çok iyi anlamamışsa; tasarımlarının doğru ilerleyeceğini düşünmüyorum.
Tasarımlarımda önce blok diyagram çizerek tüm toprak besleme hatlarının ayrı ayrı planlamasını yapar daha sonra devre şeması tasarımına başlarım. Bu hem devrenin düzgün çalışmasını garanti eder. Hem son kontrol aşamasında tasarımcıya zaman kazandırır. Hem de EMI/EMC açısından donanımcının hata yapmasını engeller. Buna ek olarak PCB çiziminin düzlemlerin (planes) karar verilmesinde ve besleme hatlarının ve sinyal hatlarının hatasız bir şekilde çizilmesine olanak sağlayacaktır.”
Bu makalenin devamı niteliğindeki; diğer 3 makaleye aşağıdaki linklerden ulaşabilirsiniz...
Bu sayfada paylaşılan bilgileri okuduysanız; yandaki linke tıklayarak "Askeri Sistemlerde Kullanılacak PCB' ler İçin Yerleşim Tasarım Bilgileri - 1 :" başlıklı makalemi de mutlaka okumanızı tavsiye ederim.
Bu sayfada paylaşılan bilgileri okuduysanız; yandaki linke tıklayarak "Askeri Sistemlerde Kullanılacak PCB' ler İçin Yerleşim Tasarım Bilgileri - 2 :" başlıklı makalemi de mutlaka okumanızı tavsiye ederim.
Bu sayfada paylaşılan bilgileri okuduysanız; yandaki linke tıklayarak "Askeri Sistemlerde Kullanılacak PCB' ler İçin Yerleşim Tasarım Bilgileri - 3 :" başlıklı makalemi de mutlaka okumanızı tavsiye ederim.
“Toprak (Ground)” nedir? Toprak tipleri nelerdir?
Bir şeyi topraklamak (grounding), onu toprağa bağlamak anlamına gelir. Elektronikte “toprak /ground” , devrede belirli bir noktaya verdiğimiz isimdir.
Elektriksel bakış açısından; toprak, geleneksel olarak “0 V” referans potansiyeline sahip olan topraktır.
Öncelikle literatürde farklı isimlerde geçen Toprak (Ground) un kullanım tiplerine bir göz atalım;
-
Koruyucu Toprak (Protective Earth) (Earth Ground)
-
Şasi Toprak (Chassis/Frame/Case Ground)
-
Fonksiyonel Toprak (Functional Ground)(Digital Ground)
-
Sinyal Toprağı (Signal Ground)(Analog Ground)
Topraklama, bir iletkeni toprak potansiyeline getirebilen elemanları içerir. Yukarıda belirtilen toprak bağlantıları yapılmadığı durumda; iletken kısımlar, toprakla aynı potansiyelde tutulmazsa, "boşta (floating)" olarak bilinir.
Topraklama sembolleri
“Toprak” terminallerini belirlemek için mevcut çeşitli işaretlerle, hangi özel sembolün kullanılması gerektiğini nasıl anlarsınız?
Uluslararası standartlar rehberlik için gidilecek en doğru yerdir ve bu sütun, topraklama (topraklama) sembolleri ve işaretlerinin kullanımına yönelik bu en iyi uygulamaları özetleyecektir.
Toprak terminalinin tanımlanması, tasarladığınız ürünlerin doğru bir şekilde kullanılmasını ve güvenli bir şekilde bakımının yapılmasını sağlamak için çok önemlidir. Toprak terminallerini belirtmek için kullanılan gerçek semboller , ekipman üzerinde kullanım için IEC 60417 Grafik sembollerinde bulunur (Şekil 1).
Şekil 1: IEC 60417 toprak (ground) sembolleri
Her sembol için kesin IEC tanımları şunlardır:
No. 5017 Toprak (earth): Ne 5018 ne de 5019 sembolünün açıkça belirtilmediği durumlarda bir toprak (toprak) terminalini tanımlamak için kullanılır.
No. 5018 Gürültüsüz (temiz) toprak (Noiseless (clean) earth (ground)): Gürültüsüz (temiz) bir toprak (toprak) terminalini belirlemek için, örneğin, ekipmanın arızalanmasını önlemek için özel olarak tasarlanmış bir topraklama (topraklama) sistemi.
No. 5019 Koruyucu toprak (Protective earth): Bir arıza durumunda elektrik çarpmasına karşı koruma için harici bir iletkene veya koruyucu toprak (toprak) elektrotunun terminaline bağlanması amaçlanan herhangi bir terminali tanımlamak için.
No. 5020 Çerçeve veya şasi(Frame or chassis): Bir çerçeve veya şasi terminalini tanımlamak için.
Sembollerin uygulanması ve ilgili standartlar
Bu toprak sembollerinin nereye uygulanacağını bilmek söz konusu olduğunda, IEC 60204 Makine güvenliği - Makinelerin elektrikli ekipmanı - Bölüm 1, 2005'e başvurmak isteyeceksiniz.
ABD perspektifinden, bu konuda rehberlik için NFPA 70-2011 Ulusal Elektrik Yasasına bakmayı düşünebilirsiniz.
Biz burada Avrupa standartlarını kullandığımız için IEC 60204’ de belirtilen bu standart, “Toprak“ sembolleri hakkında aşağıdaki bilgileri verir (Bölüm 4.4.2'den alıntılar) ve 8.2.6).
IEC 60204 standardının aşağıdaki bölümlerinden alıntılar aşağıda verilmiştir;
4.4.2 Elektromanyetik uyumluluk (EMC) Ekipmanın iletilen ve yayılan RF bozulmasına karşı bağışıklığını artırmak için önlemler şunları içerir:
- Hassas elektrik devrelerinin Şasi/Çerçeve (Chassis/Case) bağlanması. Bu tür sonlandırmalar IEC 60417-5020 sembolü ile işaretlenmeli veya etiketlenmelidir:
Şekil 2: No. 5020 Çerçeve veya şasi (Frame or chassis)
- Ortak mod gürültü bozukluğunu en aza indirmek için hassas elektrikli ekipmanın veya devrelerin doğrudan PE devresine veya bir işlevsel topraklama iletkenine (FE) bağlanması (bkz. Şekil 2). Bu sonuncu terminal IEC 60417-5018 sembolü ile işaretlenmeli veya etiketlenmelidir:
Şekil 3: No. 5018 Gürültüsüz (temiz) toprak (Noiseless (clean) earth (ground))
8.2.6 Koruyucu iletken bağlantı noktaları
- Koruyucu iletken bağlantı noktalarının başka hiçbir işlevi olmayacak ve örneğin, aygıtları veya parçaları bağlamak veya bağlamak için tasarlanmamalıdır. Her koruyucu iletken bağlantı noktası, IEC 60417-5019 sembolü kullanılarak veya PE harfleriyle, tercih edilen grafik sembolle veya iki renkli YEŞİL-SARI kombinasyonunun kullanılmasıyla veya bunların herhangi bir kombinasyonu kullanılarak işaretlenecek veya etiketlenecektir.
Şekil 4: No. 5019 Koruyucu toprak (Protective earth)
Not : Bu standardın IEC versiyonu, Avrupa versiyonu olan EN 60204 ile hemen hemen aynıdır. Makine üreten mühendisler için, Kasım 2011'de Avrupa Komisyonu'nun 60204'ün Makine Direktifi 2006/42 / EC ile "uyumlu" olduğunu kabul ettiğini unutmayın. Bu, CE işaretini elde etmenin önemli bir yönü olan Makine Direktifi'nin amacını karşılamak için elektrik güvenliği gerekliliklerini yerine getirmek için 60204'ü kullanabileceğiniz anlamına gelir.
Koruyucu Toprak / Protective Earth
Koruyucu toprak İngilizce’ de “Protective Earth” veya “Earth Ground” olarak isimlendirilir.
Türkçe’ de ise “Dünya Toprağı” veya “Toprak Zemin” veya “Koruyucu Toprak” veya sadece “Toprak” adı ile anılmaktadır.
Yukarıda açıkladığım sebeplerden dolayı, elektrik mühendisleri sadece “Toprak” kelimesini kullanırken Elektronik mühendisliğinde bir önceki paragraftaki gibi isimlendirmeler söz konusudur.
Avrupa’ da yapılan cihazların çoğunda isimlendirme sembol olarak olarak Şekil 4 ve Şekil 5 deki sembol kullanılmaktadır.
Bir sistem veya kurulumda elektriksel güvenlik amaçlarına yönelik bir veya daha fazla noktayı ifade ederken, işlevsel topraklama, güvenlik amaçlarına yönelik olmayan bir veya daha fazla noktayı ifade eder.
Şekil 5: “Dünya Zemini (Earth Ground)” / “Toprak Zemini” / “Yeryüzü” / “Koruyucu Toprak” (Protective Earth)
“Koruyucu Toprak”, tarihsel olarak elektrikle ilgilenen insanların (elektroniğin var olduğunu bilmeden önce) kullandığı ilk “Toprak” ’ tır.
Düşük dirençli bir bağlantı üzerinden bir devre, sistem, raf, şasi veya ev tipi AC kablolarının “yer düzlemine” bağlanmasıdır. Bu, bazen farklı şekilde yapılsa da genellikle, bildiğiniz hani şu patates ekilen “Toprağa” çakılan çubukların topraklama yapısına bağlanan üç telli AC fişinin / prizinin toprak bağlantısı yoluyla yapılır.
Çubukların özel konfigürasyonu, toprağın yerel direncine ve nem koşullarına ve yerel elektrik yasasına bağlıdır. Toprak zemini için doğru sembol Şekil 5' te gösterilmiştir .
Neden güvenlik için Koruyucu Toprak (Protective Earth) kullanılıyor?
Şekil 6: “Dünya Zemini (Earth Ground) bağlantısı
Şekil 7: “Dünya Zemini (Earth Ground) bağlantısı ve kaçak akım durumu
Kişinin içinden aşırı akım geçtiğinde ve akım, AC hattı gibi yeterince yüksek bir voltaj tarafından "tahrik edildiğinde" yaşamı etkileyebilecek tehlikeli koşullar oluşur . Bu nedenle, bu akım akışını önlemenin bir yolu, çok daha düşük dirençli alternatif bir yol sağlamaktır; Akımın, daha yüksek dirence sahip bir yola paralel olan daha düşük dirençli bir yoldan akmak için kendi kendine ayarlanacağını unutmayın.
Bir kişi; yüzlerce veya binlerce ohm' luk bir dirence sahipken “Koruyucu Toprak” yolunun direnci ohm veya mohm mertebesindedir.
Bir kablolamada kısa devre meydana gelirse ve şasi ısınırsa (elektriklenirse), AC hattı akımı kişi yerine bu topraktan “Yer zemini” ne akacaktır. Dünya neredeyse sonsuz bir kaynak görevi görür ve istenmeyen aşırı akımları üzerine çeker.
AC ile çalışan tüm ürünlerin bir toprak zemine ihtiyacı var mı? Hayır, tüm cihazların ve tüketici ürünlerinin güvenlikle ilgili bir topraklama ve üç telli kabloya sahip olması gerekmez.
Çoğu elektrikli alet ve hatta saç kurutma makineleri gibi düşük kaliteli cihazlar çift yalıtımlıdır, yani tamamen yalıtılmış plastik kasalarının "canlı" hale gelmesi için iki veya hatta üç dahili arızanın meydana gelmesi gerekir. Bu nedenle, çeşitli kodlar bu ürünler için bir topraklama bağlantısı gerektirmez. Bu iyi bir şeydir, çünkü birçok üç telli AC hattı bağlantısının yanlış kurulum, kopuk bir bağlantı veya 3 telli / 2 telli bir adaptörün eski prizleriyle yanlış kullanımı nedeniyle topraklama ile hatalı veya mevcut olmayan bir bağlantısı vardır.
Güç hattı topraklaması bir güvenlik korumasıdır. Normal yolunu takip etmeyen akımlar, alternatif bir yoldan dünyaya yani toprağa yönlendirilecektir.
(Modern) konut kablolamasında bu, elektrik hatlarınızdaki sarı/yeşil veya çıplak bakır tel olacaktır. Akım normalde bu iletkenden akmaz, yalnızca güvenlik amaçlıdır.
Pek çok ekipman parçası, bir noktada doğrudan toprağa bağlandığı ve normalde akım taşımadığı için bu kabloyu bir sinyal referansı olarak kullanacaktır. Bununla birlikte, güç hattı kablolarında bir arıza varsa, bu topraklama, akım taşıyan bir iletken haline gelebilir.
Güç hattı nötr (kahverengi renkli kablo), elektrik şirketi tarafından size sağlanan gücün dönüş yoludur. Binanıza güç sağlandığı noktada toprağa referans verilir (bağlanır). Güç hattı faz (mavi kablo), hattı boyunca iletilir. “PE (Protective Earth)” yani Toprak (sarı/yeşil renkli kablo) hattıdır.
Elektronik devre üzerindeki “Fonksiyonel toprak / Earth (Functional)”
Şekil 8: Fonksiyonel Toprak
Elektriksel bakış açısından, toprak, geleneksel olarak 0 V referans potansiyeline sahip olan topraktır. İlk besleme gerilimine verilen referanstır.
Dijital mantık topraklaması , dijital lojik bir devre için bir güç kaynağının "referans" terminalidir.
Çoğu dijital mantık sistemi için, genellikle Şekil 9 'da sembolle gösterilen lojik güç kaynağının negatif terminalidir .
Tipik bir elektronik sisteminde; “Toprak”, hem dijital hem de analog sinyallere bir referans sağlar. Bu nedenle, güvenilir bir sinyal elde etmek için “Toprak” nispeten 'temiz' olması gerekir.
Örneğin, tek pilli (pozitif ve negatif terminalli) bir devrede, genellikle negatif terminali toprak olarak adlandırırız.
Devre çizimini basitleştirmek için bir sembol kullanıyoruz. Yani eksi ile bağlanması gereken tüm yerlere çizgiler çizmek yerine, oraya “Toprak / Ground” sembolünü yerleştirirsiniz. Bu, eksi ile çok fazla bağlantı olduğunda devre şemasını çok daha temiz hale getirir.
Toprak Sembolü Gösterildiğinde Akım Akışı
“Toprak” sembollü bir devre şemasında akımın nasıl aktığını görmek için , toprak sembollerine sahip tüm noktaları birleştirmeniz yeterlidir. Devreyi kurduğunuzda yaptığınız şey budur.
Şekil 9: Toprak sembollerini kullanan bir şematik
Şekil 10: Toprak sembolleri olmadan gösterilen aynı şema
Şekil 11: Pozitif, Negatif ve Toprak Bağlantılı Devrelerde şematik diyagramlarda, pozitif bir terminale, negatif bir terminale ve bir toprak terminaline bir bağlantı bulacaksınız.
Çerçeve / Şasi / Kasa Toprak (Frame / Chassis Ground)
Şekil 12: “Çerçeve/Şasi/Kasa Toprak” sembolü
Şasi topraklaması tam da şu anlama gelir. Metal şasi veya muhafaza, bir tasarımdaki tüm güç ve sinyal "toprakları" için ortak bir bağlantı noktasıdır.
Çoğu durumda, AC hattı ile çalışan cihazlar için, şasi topraklaması, Şekil 12’ de gösterilmiştir.
Güvenlik için “Koruyucu Toprak” a bağlanmalıdır. Bununla birlikte, benzersiz uygulama veya kod gereksinimleri nedeniyle “Koruyucu Toprak” a bağlanmaması gereken bazı özel durumlar vardır.
“Toprak zemini” gibi, “şasi zemini” de bazen işi bilmeyen kişiler tarafından, güvenlik zemini olarak adlandırılır. Yine bu da başka bir olası kafa karışıklığı kaynağı.
“Şasi toprağı” , güvenlik kablosunun AC şebekesinden bir ürünün kasasına bağlanmasına verilen addır. Bu isim verilmiştir. Çünkü bir ürünün kasasına genellikle kasa (case) denir. Bu tel genellikle bir uzatma kablosundaki, bir ürüne bağlanan üç telli şebekedeki sarı/yeşil tel veya bir AC konektöründeki üçüncü pindir. Bu sarı/yeşil kabloyu bir binanın içinden geçirirseniz, sonunda yer zeminine çakılan bakır bir kazığa bağlanacaktır. Bu bağlantının amacı, elektrik kablolarından birinin yanlışlıkla ürünün kasasına veya "şasisine" bağlantı yapması durumunda ürünün operatörünü korumaktır. Bu nedenle, yalnızca güvenlik amaçlı bir işlevdir.
Günümüz ürünlerinin çoğu metalik olmayan kasalara veya muhafazalara sahip olduğundan, "şasi zemini" teriminin, güvenlik için yer zeminine yani “koruyucu toprak” a bağlandığı varsayılmamalıdır.
Ayrıca, birçok AC olmayan hat cihazı ve sistemi, metal mahfazalar içinde olsalar bile, Topraklamaya (uçak veya araba gibi) bağlanma olasılığına sahip değildir. Bu durumlarda, “şasi toprağı” genellikle sistem içindeki tüm “sözde topraklar” için ortak bir bağlantı noktasıdır.
Toprak (Ground), bir aparatın veya bir devrenin referans potansiyelini oluşturan ve topraklanabilen veya olmayan iletken bir nokta veya eleman olan bir kütle, çerçeve veya şasi ile karıştırılmamalıdır. Bu durumda referans sembolü Şekil 12 'de gösterilmektedir:
Tasarım AC hattından güç alıyorsa, ortak bağlantı sonunda “şasi topraklamasına” ve ardından çoğu durumda (tümünde değil) “Koruyucu Toprak”’ a bağlanır.
Daha önce belirtildiği gibi, "Şasi" topraklaması yalnızca güvenlik amaçlı bir özelliktir ve devrelerin elektronik işlevinde veya EMI performansında hiçbir rolü yoktur. Bu nedenle, dijital veya analog devre toprağını "Kasa" zeminine bağlamanıza gerek yoktur ve bazı durumlarda buna izin verilmez.
Şasi toprağı , bazı elektrikli cihazların içine yerleştirildiği metal muhafazadır. Şasi, güç hatlarınızın sarı/yeşil topraklama kablosuna bağlanabilir. Şasi, onu topraklamak için başka bir hatta bağlanabilir veya bağlanmayabilir.
Ekipmanda şasiye kısa devre yapan herhangi bir arıza, akımın şasiye temas eden bir kişi yerine şasiden toprağa akmasına neden olacaktır.
Sinyal bağlantılarının negatif tarafı, şasi topraklamasına herhangi bir sinyali referans alarak şasiye de bağlanabilir. Birçok cihaz, sinyallerinizin referansını şasi topraklamasına bağlamanızı veya ayırmanızı sağlar.
Sinyal Toprak (Signal Ground), Analog Toprak (Analog Ground)
Şekil 13: “Sinyal Toprak” sembolü
"Analog TOPRAK", bir analog devreye güç sağlayan kaynağın referans terminalidir. Bir analog sinyal kaynağının bir tarafının bağlandığı yerdir. Sinyal kaynağının diğer tarafı analog giriş veya çıkışa bağlıdır. "Analog Toprak" genellikle Şekil 13'de sembolü ile gösterilir.
Tipik bir tasarımda ; İster DC, ister AC hattından, isterse pillerden ve ilişkili DC / DC regülatörlerinden türetilmiş olsun, hem AC hat kaynaklı güç hem de DC güç için güçle ilgili gerekçeler olabilir.
Ayrıca, cihaz içindeki çeşitli analog ve dijital fonksiyonel bloklar ve sinyaller için genellikle “toprak” olarak anılanlar da vardır. Bunların hiçbiri, “Koruma Toprak” a nihai bir bağlantıya sahip olma anlamında mutlaka bir "toprak" değildir. Bunlar “sinyal toprağı” veya normal “toprak” olarak adlandırılır.
Şekil 14: “Sinyal Toprak” sembolü, devrede birden fazla toprak varsa, üçgenin içine veya dışına yerleştirilen bir sayı veya başka şekiller ile ayırt edilirler(en sağdaki şekil).
Analog toprak , bir analog devreye güç veren kaynağın referans terminalidir. Bir analog sinyal kaynağının bir tarafının bağlandığı yerdir. Sinyal kaynağının diğer tarafı analog giriş veya çıkışa bağlıdır.
Birçok tasarımda iki, üç veya daha fazla toprak vardır. Her güç kaynağı alt sistemi için bir toprak ve çeşitli dijital alt sistemler ve analog alt sistemler için birer toprak olabilir. Aslında, analog ve dijital taraflar için birden fazla müşterek olması alışılmadık bir durum değildir. Genel olarak, tüm bu “toprak” lar, sinyal ve güç bütünlüğü için yıldız bağlantısı adı verilen tek bir noktada birbirine bağlanmalıdır.
Standart uygulama, kendi üçgenlerinin içine bir sayı koyarak bu bağımsız müşterekler arasında ayrım yapmaktır.
Üç azalan uzunlukta paralel hat (Şekil 8) analog veya devre toprağını temsil eder .
İçi boş üçgen genellikle dijital zemin anlamına gelir , ancak genellikle referans toprak olarak kullanılır ve birbirleriyle ortak olan referansları belirtmek için üçgenin içindeki bir harf veya sayı kullanılabilir (Şekil 14).
“Fonksiyonel toprak” aynı zamanda sinyal izlerinden akan elektrik akımına dönüş yolu olarak da işlev görür.
Mevcut yolla ilgili olarak aklınızda bulundurmanız gereken iki şey vardır:
-
Elektrik akımı her zaman en az dirençli yoldan geçer.
-
PCB’ de “Sinyal Toprak” izinin boyutu, herhangi bir yüksek akımı kaldırmaya yeterli olmalıdır.
Dijital devreler genellikle, Vcc ve 0V arasında ilerleyen sinyallerin hızlı geçişiyle karakterize edilir. Doğal olarak, elektrik akımı içinden geçerken toprak, ani yükselmelere maruz kalacaktır. Öte yandan, analog sinyaller, doğru bir okuma sağlamak için büyük ölçüde sabit bir toprağa bağlıdır.
PCB üzerindeki toprak modellerini doğru yapmak, deneyimli mühendisler için bile zor bir konu olabilir;
Örneğin, ses ve dijital topraklamadaki tek bir hata , ses çıkışına statik gürültü bağlantısına neden olabilir. Yeni tasarımcıların tek bir toprak düzlemi (plane) kullanması, analog girişlerin rastgele dalgalanmasıyla sonuçlanır.
Bazı elektronik uzmanları, bir yıldız bağlantısının çeşitli toprak türlerini tek bir noktaya bağlamak için en iyi yöntemlerden biri olduğuna işaret ediyor. Bununla birlikte, bazı durumlarda, PCB üzerindeki bileşen düzenlemesi veya alan kısıtlamaları nedeniyle yıldız bağlantısı pratik olmayabilir. Elbette, bu topraklama yöntemi yalnızca komponentler işlevlerine göre açıkça ayrılabildiğinde uygulanabilir.
Yer düzlemlerini düzenlemedeki ilke, bir uca en gürültülü toprağı, diğer uca da en hassas toprağı yerleştirmektir.
Bazı durumlarda, toprak düzleminin yalnızca belirli bir bileşende ayrılması gerekir.
Bu, tüm bu "Toprak" devrelerinin nasıl birbirine bağlanacağı veya ilk etapta birbirine bağlanıp bağlanmaması gerektiği ve eğer öyleyse neden olduğu sorusuna yol açar.
Bu soru genellikle iki nedenden biriyle ortaya çıkar:
Tartışma, hassas analog sinyallerin dış gürültü kaynaklarından nasıl korunacağına veya EMI'nin nasıl kontrol altına alınacağına odaklanıyor.
Bir PCB' ye “toprak (ground)” yerleştirme özel bir konu olarak ele alınmamalıdır. Bunun yerine, tasarımcılar elektronların farklı zemin düzenlemeleri tarafından oluşturulan yol boyunca nasıl hareket ettiğini görselleştirmek için duyu veya daha doğrusu elektroniğin temel yasalarını ve canlı bir hayal gücünü uygulamalıdır.
Sorulabilecek ilk soru şudur:
Yukarıdaki tüm öğeler nasıl "Toprak" olabilir? Sorunun cevabı çok açık. Hiçbiri değil.
Burada “Sinyal Toprak” ve “Fonksiyonel Toprak” amaç sinyal ve dc güç hatlarının “toprak” uçlarını, EMI/EMC açısından birbirinden ayırmak ya da uygun yöntemlerle birleştirme işidir.
"Toprak", elektronik bir sistemde voltajların ölçüleceği bir referans noktası olan tek yerdir. "Toprak" olarak adlandırılan diğer şeyler nelerdir? Aşağıda bunların kısa bir açıklaması bulunmaktadır.
"Dijital Toprak", bir dijital mantık güç kaynağının "referans" terminalidir. Çoğu dijital sistem için güç kaynağının negatif terminalidir.
Şimdi, elektronik ve elektrikte kullanılan Toprak türlerini öğrenmiş olduk. Şimdi bazı uygulama örneklerine göz atalım.
Toprak bağlantısıyla ilgili Pratik Uygulamalar
Şekil 15: Örnek bir dijital toprak ve analog toprak gösterimi. Burada farklı Toprak isimlendirmeleri yapılmış görünüyor.
Burada, çeşitli "Toprakları (Grounds)" bağlamak için önerilen yöntemler, aşağıdakiler dahil geniş bir seçenek yelpazesini kapsar:
-
Bunları tek bir noktada bağlamak.
-
Yer düzlemini karışık sinyal bileşeni altında kesmek
-
Bunları kapasitörlerle bağlamak.
-
Bir PCB' deki toprak düzlemini, tasarımın analog ve dijital tarafları arasında tek bir yerde dar bir bağlantı olacak şekilde bölümlere ayırmak.
-
Analog ve sayısal zeminlerin ayrılması.
Şekil 16: Örnek bir dijital toprak ve şasi bağlantısı, AC besleme tarafında “Koruyucu Toprak /PE” bağlantısı yok. Varsa; şase bağlantılarına CF EMI filtre kapasitörleri bağlıdır.
Şekil 17: Örnek bir dijital toprak ve AC besleme tarafında “Koruyucu Toprak /PE” bağlantısı. Varsa; şase ve “koruyucu toprağa” CF EMI filtre kapasitörleri bağlıdır.
Şekil 18: Örnek bir izole dijital/analog toprak ve AC besleme tarafından “Koruyucu Toprak /PE” bağlantısı mevcut.(PE için kullanılan sembolün, bu makalede anlatılandan farklı olduğunu görünüz.)
Şekil 19: İki cihaz arasında bir diferansiyel sinyalde toprak gürültüsü
Şekil 20: 100 fit lik bir mesafedeki bir sürücü ve alıcı arasındaki ortak mod (Common mode) gürültüsü ve ekran(shield) bağlantısı
Şekil 21: İki cihaz arasında ”koruyucu toprak” bağlantısı ve voltaj dalgalanması için Varistör kullanımı
Şekil 22: Çoklu kartlı sistemlerde toprak şeması
Sinyal Toprak (Signal Ground) veya Analog Toprak (Analog Ground) sinyallerini yönetme
Analog sinyal problemini ilk ele alırsak, mühendislik hedefi analog sinyali, sinyal performansını düşürebilecek dış gürültü kaynaklarından korumaktır.
Şekil 23: Devrenin iki tarafını ve hem bir "analog ZEMİN" pini ve IC üzerindeki bir "dijital ZEMİN" pimini gösteren tipik olarak karışık bir analog ve dijital entegre devrenin bir örneğidir.
Karışık sinyalli elektronikler; tasarlanırken endişe oluşturan sorunların çoğunun temsilcisidir. Kırmızı ile vurgulanan, analog karar verme döngüsü olarak adlandırılan şeydir. Devrenin düzgün çalışması için dış gürültü kaynaklarından korunması gereken devredir.
İlk olarak, uygun bir PCB tasarımına ulaşmak için IC üzerinde analog bir “toprak” pini ve dijital bir “toprak” pininin olmasının nedeni anlaşılmalıdır. Bu karışık sinyalli IC' nin dijital tarafında, analog sinyalin dahili dijital işlemesi ve ayrıca çıkış iletim hatlarının sürülmesi ile ilişkili TOPRAK kablosundan geçen geçici akımlar vardır. Bu, 2.5V mantık seviyelerine sahip bir mantık sisteminde 8 bit Analog' dan Dijital' e dönüştürücü(ADC) ise, bu yolda akan akım geçişleri 200 mA kadar büyük olabilir.
Şekil 23, bir analog toprak düzlemine ve bir dijital zemin düzlemine sahip olmayı veya bileşen altında zemin düzlemini ayırmayı belirten uygulama notlarına veya diğer yönergelere sahip tipik devrelerdir.
Bunlardan herhangi birinin yapılması, analog sinyal döngüsünü harici gürültüden koruyan gerçek mühendislik problemini ortadan kaldırır.
(Not: Şekil 23'teki akım akış okunun yönü, akım akışını oluşturan elektronların akışıdır.)
(Bir tasarımcı toprak düzlemini bileşenin altında bölmeyi seçerse, istenmeyen bir yan etki oluşur. Bu yan etki, kesimin bir tarafından diğerine geçmesi gereken sinyallerin, sinyal bütünlüğüne veya EMI sorunlarına yol açabilecek geri dönüş akımları için bir yola sahip olmamasıdır.)
Analog sinyal döngüsüne gürültü nasıl girer? Bunun gerçekleşmesinin iki yolu vardır;
Birincisi, çok yakın hareket eden bitişik bir sinyalden kapasitif kuplaj veya manyetik kuplaj ile döngünün her iki tarafına kuplaj söz konusudur. (Biz buna genellikle çapraz karışma (crosstalk) diyoruz. Çapraz karışma, cihazın elektrik bileşeni tarafından oluşturulabilir.
EM alanı; kapasitif cross-talk veya EM alanının manyetik bileşeni olarak adlandırılan endüktif cross-talk olarak adlandırılabilir. Hangi formun var olduğu, yan yana bulunan iki iletkenin konfigürasyonuna bağlıdır.) İkincisi, analog yolun “toprak” tarafının başka bir sinyal tarafından paylaşılmasına izin vermektir. Bu genellikle cihazın analog kaynağı ile analog "toprak" pini arasındaki bağlantı parçadan biraz uzakta yer düzlemine yapıldığında meydana gelir.
Çoğu durumda, bu sorunların her ikisi de, IC' nin terminallerinde yapılan iki bağlantısı olan blendajlı bir kablo kullanılarak ele alınır;
-
Bir bağlantı, cihazın "analog toprak" terminaline bağlanan blendaj
-
Analog cihazın giriş tarafına bağlanan merkez iletken.
Hem kaynak hem de yük aynı PCB üzerindeyken, "analog döngü" ile başa çıkmanın doğru yolu, nerede olduğuna bakmak ve döngüyü "toprak" bölümünde parazit ve voltaj değişimlerinden koruyan yerleşim seçimleri yapmaktır.
Hemen hemen tüm durumlarda, bu sorun, bileşenlerin PCB yüzeyine dikkatlice yerleştirilmesinin seçilmesiyle çözülür. Böylece analog karar verme döngüsünün bulunduğu bölgeden diğer devrelere hiçbir akım geçmez.
Bu tür devrenin örnekleri şunlardır:
-
Bir radyodaki amplifikatör aşamaları arasındaki bağlantılar
-
Bir stereo sistemdeki amplifikatör aşamaları arasındaki bağlantılar
Elektronik kartlarda Toprak ( Ground) bağlantılarının EMI/EMC yönetimi
EMI muhafazası için önemli olan ürünler, kablolar üzerindeki kalkanlar ve ürünleri çevreleyen Faraday kafesleridir.
Faraday Kafesi ve Toprak kullanımı
Bu makale boyunca EMI sorunlarını tartışırken Faraday kafesi terimini kullandım. Faraday Kafesinin ne olduğunu ve ne yaptığını açıklamak faydalı olabilir.
Faraday Kafesi, elektronik bir ürünün barındırıldığı metalik bir muhafazadır. Amacı, üründen elektromanyetik dalgalar şeklinde kaçan ve yakındaki bir ürüne giden yolu bulmasına izin verilirse EMI sorunu yaratabilecek enerjiyi tutmaktır.
Faraday kafeslerinin örnekleri, bir yönlendirici veya anahtarı barındıran muhafazadır.
Faraday Kafesi genellikle bir kart kafesinin yan panellerinden, arka panelden ve eklenti modüllerinin ön yüzlerinden oluşur. Muhtemelen bu yüzden bazıları buna "şasi ZEMİNİ" diyor.
Faraday kafesinin bir kısmının, aynı zamanda ürünün “şasisini” de oluşturan malzemenin bir kısmı veya tamamından oluştuğu görülür.
Sinyaller ve güç kabloları Faraday Kafesine girdiğinde, bu kablolardan EMI kaçma olasılığı vardır. Bunu önlemek için EMI frekans bandında bulunan frekansları içeren kabloların etrafına kalkanlar(shields) yerleştirilir. Bu nedenle kalkanlar(shields), çok düşük empedanslı bir bağlantıyla bağlandıkları sürece Faraday Kafesinin uzantılarıdır.
Güç kabloları gibi ekranlanamayan teller için, bir EMI sorununa neden olmalarını önlemek için Faraday Kafesinden çıkarken bu tellere bir tür RF filtreleme yerleştirilmelidir. Buna bir örnek, bir kutudan çıkarken güç kablolarına yerleştirilen ferrit kelepçeler veya soft ferit olarak adlandırılan feritlerdir.
Şekil 24, Faraday Kafesi ile nerede bağlantı yapılacağını belirtmek için kullanılan semboldür. Bu toprağın olduğu yerde gürültünün temiz olduğu anlaşılacaktır.
Şekil 24. Faraday Kafesine Bağlantıyı Göstermek İçin Kullanılan Sembol
Tasarım esnasında Toprak (Ground) gereksinimlerinin belirlenmesi
Özetlersek; TOPRAK’ ın ne olduğu ve nasıl kullanılacağı ile ilgili olarak uygulama notları ve yönergeler şeklinde basılı olarak çok büyük miktarda yanlış bilgi vardır.
Bazı uygulama notları, TOPRAK düzleminin bir analog tarafa ve bir dijital tarafa bölünmesi ve iki tarafın yalnızca bir noktada bağlanması gerektiğini belirtiyor.
Diğerleri, biri analog ve diğeri dijital olmak üzere birbirinden tamamen farklı iki düzlem olduğunu öne sürüyor. Bu iki PCB düzleminin nasıl bağlanacağı, her uygulamanın veri sayfasındaki notlarına göre değişir. Bu notlarla ilgili deneyimim, var olduğu kanıtlanmamış bir sorunu, tedavi ettikleri yönündedir. Bu tür notlarla ilgili en kötü şey, çözülmesi gereken gerçek sorunu ele almamalarıdır. Bu sorun, karar verme döngüsünü dış gürültü kaynaklarından korumaktır.
Bu kurallardan herhangi birine uygulanması gereken kriterlerden biri şudur:
A. Gerçek bir sorun mu var?
B. Önerilen çözüm sorunu çözüyor mu?
C. Önerilen çözüm, EMI sorunu gibi yeni bir sorun oluşturuyor mu?
Bu üç sorunun geçerli yanıtları yoksa, çözümü basitçe uydurma olasılığı vardır ve başka türlü mevcut olmayacak bir EMI sorunu gibi bir sorun oluşabilir.
Elektronik sistemler, akan akımların bir sonucu olarak içlerinde hem AC hem de DC voltaj değişimlerine sahip olduğu anlaşılması gereken toprak dediğimiz ağlara sahiptir, bu nedenle EMI ile ilgili sihirli özelliklerle eş değerde kabul edilemezler.
Ürünün analog bölümünün düzgün çalışmasını garanti etmediğinden, bir PCB' nin bir analog toprak düzlemine ve bir dijital toprak düzlemine ihtiyacı yoktur. Bunun yerine, PCB boyunca sürekli olması gereken tek bir yer düzlemine sahip olmalı ve ardından karar verme döngüsünün dikkatli bir şekilde tasarlanmalıdır.
Bir toprak düzlemini bölmek, devredeki tüm bileşenler arasında ultra düşük empedans bağlantısı olarak bütünlüğünü yok eder ve asla yapılmamalıdır.
Yer düzleminin yüksek voltaj izolasyonu amacıyla bölünmesi gereken ender durumlarda, bölünmeyi geçmesi gereken sinyallerin, sürekli bir dönüş akımı yoluna ihtiyaç duyulmayacak şekilde yapması gerekecektir. Bunun yapılmasının iki yolu, bir DC bileşenine sahip sinyaller için çalışmayan transformatör kuplajıyla veya optik izolatörler kullanılarak yapılır.
"Şasi toprağı" denen şey, yalnızca güvenlik özellikli bir özelliktir ve devrelerin elektronik işlevinde veya EMI performansında hiçbir rolü yoktur. Dijital toprağı "Şasi Toprağına" ne ve bazı durumlarda buna bağlamak gerekli değildir. Belki müsaade edilmez.
Devre üzerinde temel toprak (ground) dağıtım şekilleri
Şekil 25: "Topraklama ağacı" sistem sinyali referans yapısı
Şekil 26: Ortak empedans kuplajının azaltılması için dönüş akımı yollarının ayrılması.
Şekil 27: Devre-modül seviyesinde şasi bağlantısı tanımlamaları
Şekil 28: Alt montaj sinyal dönüşlerinin (TOPRAK) gereksinim tanımları
Yayılan EMC açısından toprak (ground) dağıtımı
Şekil 29: Gruplara dahili olarak topraklanmamış "Sinyal TOPRAK" iletkenleri, yayılan (radiated) EMI' ye neden olabilir.
Şekil 30: Birkaç tertibatın topraklama sistemlerinin birbirine bağlanması, istenmeyen sonuçlara neden olabilir.
Tipik 10/100BaseT alıcı/verici ara yüz devresinde toprak (ground) kullanımı
Şekil 31: Tipik 10/100BaseT alıcı arayüz devresi. Farklı TOPRAK bağlantıları
Şekil 32: Tipik 10/100BaseT verici arayüz devresi. Farklı TOPRAK bağlantıları.
Elektronik kart üzerinde AC-DC, DC-DC güç kaynağı devrelerinin toprak (ground) yerleşimi ve kullanımı
Şekil 33: Çoklu çıkışa sahip güç kaynağı, Tek yerden ortak Toprak terminali kullanımı
Bu durumda ilgili besleme çıkışlarının kullanıldığı voltajlara bağlı devrelerden birbirine gürültü geçecektir.
Şekil 34: Çoklu çıkışa sahip güç kaynağı, toprak dönüş izleri ayrı ayrı çekilmiştir. Tercih edilen yöntem
Şekil 35: Çoklu çıkışa sahip güç kaynağı, girişte AC/DC izole ve çıkışlarda izole DC/DC kullanımı. Diğer deyişle uzantıları olan izole edilmiş ikincil dc-dc güç kaynakları
Şekil 36: Tamamen merkezi güç dağıtım şeması
Şekil 37: Montajlarda izole DC-DC güç kaynağı (Merkezi olmayan (dağıtılmış) güç dağıtım şeması.)
Şekil 38: Montajlarda İzole Olmayan Güç Kaynakları (Merkezi olmayan (dağıtılmış) güç dağıtım şeması.)
Şekil 39: AC/DC çevirici sistemlerde DC referans noktasının ve PE bağlantısının kullanımına bir örnek
AC/DC çevirici sistemlerde DC referans noktasının ve PE bağlantısının kullanımı
Örneğin, 48 V DC güç kaynağınız varsa (terminalleri geri döndürmek için hat) ve "-" terminalini sistemin 0 V veya topraklaması yapmaya karar verdiyseniz, güç kaynağı çıkışının diğer terminalindeki voltaj + Zemine göre 48V DC [Şekil 40]; ancak, "+" terminalini sistemin V veya toprağı yapmaya karar verdiyseniz, güç kaynağının diğer terminalindeki voltaj, toprağa göre –48V (genellikle telekomünikasyon devrelerinde kullanılır) olacaktır. [Şekil 41].
Şekil 39: AC/DC çevirici sistemlerde DC referans noktasının ve PE bağlantısının kullanımına bir örnek
Telekom sistemlerinde toprak (ground) bağlantısının anlaşılması (-48VDC)
Örneğin, 48 V DC güç kaynağınız varsa (terminalleri geri döndürmek için hat) ve "-" terminalini sistemin 0 V veya topraklaması yapmaya karar verdiyseniz, güç kaynağı çıkışının diğer terminalindeki voltaj + Zemine göre 48V DC [Şekil 40]; ancak, "+" terminalini sistemin V veya toprağı yapmaya karar verdiyseniz, güç kaynağının diğer terminalindeki voltaj, toprağa göre –48V (genellikle telekomünikasyon devrelerinde kullanılır) olacaktır. [Şekil 41].
Şekil 40: 48V DC güç kaynağı çıkışı, "toprağa" göre +48V DC'de
Şekil 41a: 48V DC güç kaynağı çıkışı, "toprağa" göre –48V DC'dir. Görüldüğü gibi "Toprak" görecelidir!
Batarya bloklarında Toprak bağlantısının anlaşılması
Şekil 41b: 48V DC güç kaynağı bağlantılarına farklı bir bakış. Görüldüğü gibi "Toprak" görecelidir!
Batarya bloklarında Toprak bağlantısının anlaşılması
Şekil 42: Batarya gibi izole sistemlerde topraklama stratejisi (Özel dönüş terminalleri ile çoklu çıkış güç kaynağı)
Raf sistemine sahip kabinlerde toprak bağlantısı
Şekil 43: İzole edilmiş bir toprak "bara" düzenlemesi kullanılarak tipik ekipman raflarında yaygın olarak belirtilen güç ve "topraklama bağlantısı" uygulaması
Şekil 44: İzole olmayan bir topraklama "bara" düzenlemesi kullanılarak önerilen raf gücü ve "topraklama bağlantısı" uygulaması.
Bu makalenin devamı niteliğindeki; diğer 3 makaleye aşağıdaki linklerden ulaşabilirsiniz...
Bu sayfada paylaşılan bilgileri okuduysanız; yandaki linke tıklayarak "Askeri Sistemlerde Kullanılacak PCB' ler İçin Yerleşim Tasarım Bilgileri - 1 :" başlıklı makalemi de mutlaka okumanızı tavsiye ederim.
Bu sayfada paylaşılan bilgileri okuduysanız; yandaki linke tıklayarak "Askeri Sistemlerde Kullanılacak PCB' ler İçin Yerleşim Tasarım Bilgileri - 2 :" başlıklı makalemi de mutlaka okumanızı tavsiye ederim.
Bu sayfada paylaşılan bilgileri okuduysanız; yandaki linke tıklayarak "Askeri Sistemlerde Kullanılacak PCB' ler İçin Yerleşim Tasarım Bilgileri - 3 :" başlıklı makalemi de mutlaka okumanızı tavsiye ederim.
Askeri sistemlerle ilgili tüm donanım deneyimlerimi paylaştığım, 100' den fazla makaleme BLOG' uma üye olarak, tam erişim sağlayabilirsiniz.
Şimdiden binlerce kişiye ulaşan BLOG üyelerimin arasına girerek, gün geçtikçe sayısı artan yeni makalelerimden ve yakında siteye eklenecek olan özel devre arşivinden faydalanmak ve anında haberdar olmak için lütfen BLOG' a üye olunuz.
Türkçe kaynakların sayısını artırmak için web sitemde yer alan yazıları payalaşmanızı isterim. Bilgi paylaşmakla çoğalır ve zirveye çıkar.
Hash Tags
#EarthSymbol #GroundSymbols #Grounding #IEC60417 #IEC60204 #NoiselessEarthGround #EarthGround #ProtectiveEarth Ground #SignalGround #DigitalGround #AnalogGround #FunctionalGround #Toprak #ToprakSembolleri #ChassisGround #FrameGround #GroundSignals #ToprakSinyalleri #GroundAndEMC #GroundAndEMI #GroundManagement #TelecomGround #-48VDC #BatteryGround #GroundingTree #StarGroundConnection
ETİKET
Earth Symbol, Ground Symbols, Grounding, IEC 60417, IEC 60204, Noiseless Earth Ground, Earth Ground, Protective Earth, Ground, Signal Ground, Digital Ground, Analog Ground, Functional Ground, Toprak, Topraklama Sembolleri, Chassis Ground, Frame Ground, Ground Signals Toprak Sinyalleri Ground And EMC, Ground and EMI, Ground Management, Telecom Ground, -48VDC, Battery Ground, Grounding Tree, Star Ground Connection
