Как найти землю на плате

Прежде, чем разбираться с тем, где и как изображаются точки заземления и общий провод, надо разобраться с тем, что же это такое.
Согласно определению, общим проводом (землей, корпусом) обозначается такая точка, в которой электрический потенциал принимают за ноль. Согласно этого, все другие значения в схеме замеряют относительно к этой точке, именуемой общим проводом. 

Как правило, общий провод на схемах – это тот, относительно которого производят замеры всех напряжений схемы. В электронных схемах эту функцию далеко не всегда несет отрицательный полюс. Существует немало схем, в которых эта функция возложена на положительный провод, тогда, как для схем, имеющих питание двухполярного типа (то есть питание по системе +-Uпит) общим проводом является общая точка источников питания. 

Иными словами, общим проводом схемы можно именовать тот проводник, на который сходится самое большое число выводов всей схемы. Сие понятие, как раз, и введено было с целью упрощения процесса начертания и чтения схем (ведь вместо прокладки проводников к нему, зачастую, просто вычерчивается знак, состоящий из вертикальной черты, идущей в середину горизонтальной) одновременно это позволяет экономить пространство на чертеже схемы.

Применительно к электронным схемам небольших размеров, которые выполняются на платах с помощью печатного монтажа, общий провод (он же заземление) выполняется в виде подложки из меди. Кроме того, проводники этого назначения на печатных платах, как правило, имеют достаточно большую площадь (на много большую, чем у других проводников). Применительно к любой электрической (либо электронной) схеме, общий провод (он же масса) настолько удобная штука, что чтение любых схем, если в них нет этого элемента, значительно затруднено и неудобно. 

Для схем, предназначенных для работы на высоких скоростях, уже давно стало аксиомой то, что каждый квадратный миллиметр платы, не имеющий радиоэлектронных компонентов, или проводников следует заливать полигоном, предназначенным для земляного провода. Если этого не сделать, то результат может быть весьма плачевным. Однако, бывают случаи, при которых достаточно тяжело (а иногда и не возможно) выполнять эти правила (например, когда монтаж довольно плотен). Чтобы преодолеть эту сложность, приходится снижать плотность монтажа, отводя тем самым больше пространства под «общий провод». Примером максимальной заливки полигоном заземления (массы) легко может служить любая плата печатного монтажа промышленного типа (например, «печатка» любого магнитофона, или телевизора). Если требуется найти общий провод на таких платах, то, ткнувшись в проводник с наибольшей площадью, попадем именно на общий провод. 

С цифрой немного иначе, хотя тоже ничего сложного: тут достаточно вычислить точку, в которую сходятся обязательно присутствующие практически в каждой цифровой схеме конденсаторы (бесполярные), установленные параллельно питанию каждой цифровой микросхемы.

Обычно, в промавтоматике все системы имеют как аналоговую, так и цифровую часть. По этой причине могут возникать помехи, наведенные цифровой частью схемы. Чтобы максимально избавиться от помех, наведенных цифровой частью оборудования на всю остальную схему, общий провод аналоговой части максимально разъединяют с цифровой, делая так, чтобы «земля» от «цифры» соединялась с «землей» от «аналога» лишь в одной единственной точке, расположенной как можно ближе к общему проводу источника питания. И обозначают их, так же, по-разному: AGND – общий провод аналогового типа, тогда, как, DGND – соответственно цифровой.

Теперь разберемся с тем, каким образом принято обозначать на схемах различные виды общего провода и точек заземления. 
Согласно ЕСКД, точка, относительно которой выполняются замеры всех напряжений и токов схемы считается общей и обозначается вертикальной чертой, касающейся короткой горизонтальной черточки (иногда от этой черточки отходят короткие линии, наклоненные вправо). Точка же, подлежащая соединению с заземлителем, обозначается так же, с той разницей, что под горизонтальной линией расположены еще две, образующие в сумме с первой треугольник (вторая короче первой, а третья – короче второй).

На зарубежных схемах, кроме того, имеется еще и разграничение между общим проводом аналогового и цифрового типов: аналоговый общий провод обозначается в виде вертикальной черточки, заканчивающейся закрашенным равносторонним треугольником, вершина которого направлена вниз, тогда, как в цифровом виде эта черточка оканчивается лишь контуром такого треугольника. В любом случае, если используется отдельный общий провод для цифры и аналога, то на схемах разработчики стараются подписывать какой тип общего провода используется: AGND или DGND.

Существует множество программ, предназначенных для вычерчивания схем на экране компьютера с возможностью последующей разводки их печатного рисунка. Среди них такие, как sPlan, Eagle, DipTrace и прочие.

P.S. Если у вас есть чем дополнить статью, то пишите в комментариях.

Общий провод или земля.

Общий провод (земля, корпусной провод) – это обозначение точки, потенциал которой принимается за ноль. В се остальные потенциалы и напряжения измеряются относительно этого потенциала, то общего провода.
Все открытые токоведущие части приборов и цепей обычно заземлены с помощью защитного заземляющего устройства, которое подключается к общему проводу приборов. Таким образом, между этими приборами не может возникнуть разность потенциалов, и не будет течь опасный для жизни ток.
На рисунке 1. показано, как на силовом распределительном щите все приборы соединены общей нулевой точкой с помощью толстых медных проводов на медную шину, которая соединена с заземлителем вкопанным в землю. Это и есть общий провод схемы.

Рисунок 1.Общий провод в распределительном щите.

Заземлитель или заземляющее устройство защищает человека от поражения электрическим током.
Заземление используется так же в автомобилях. В этом случае в качестве общего провода используется шасси. Если заглянуть под капот автомобиля, то вы увидите, как минусовой провод аккумулятора подключен прямо к раме авто (рис 2.).

Рисунок 2. Общий провод в автомобиле.

Это и есть земля или общий провод электрооборудования автомобиля.
Еще раз повторим, что земля это точка цепи, потенциал которой принимается за ноль и относительно этой точки измеряются все напряжения.
В электронном оборудовании металлический корпус или шасси также служит общим проводом или землей.
В небольших электронных схемах, выполненных на печатных платах, которые размещаются в пластмассовом корпусе, общим земляным проводом является медная подложка. Так же общие корпусные проводники на печатных платах обычно выполняются как можно с большей площадью (рис 3).

Рисунок 3. Общий провод на печатной плате.

Рекомендации по разводке печатных плат электронных устройств

Основные правила проектирования печатных плат усилителей мощности, блоков
питания, аналого-цифровых устройств.
Как правильно развести шины земли, питания и сигнальных цепей?

Может у ковонить есть печатка на этот усилитель? – раздаются тут и там голоса начинающих (да и не очень) радиолюбителей, страждущих
потрудиться на ниве народного рукоделия.
На самом деле, многие из устройств, представленных на просторах интернета, сопровождаются макетами печатных плат. Порой эти
платы грешат банальным несоответствием принципиальной схеме, но гораздо чаще – не учитывают простых и известных большинству профессиональных
разработчиков правил, позволяющих минимизировать влияние разводки на корректную работу схемы. Особенно это влияние может сказываться при
проектировании довольно мощных низкочастотных и практически любых высокочастотных устройств.
Итак – что нужно знать для того, чтобы корректно развести схему?

Начнём с вопросов проектирования и монтажа блоков питания. Тема эта была довольно подробно освещена Джеком Розманом в журнале
“Everyday Practical Electronics” (с подробным трёхстраничным переводом этой статьи можно познакомиться на сайте
radiopages.ru).

При проектировании печатных плат блоков питания (и не только) не стоит забывать, что медь не является сверхпроводником.
Особенно это важно для «земляных» (общих) проводников. Если они тонкие и образуют длинные цепи, то на них из-за
протекающего тока и ненулевого сопротивления образуется падение напряжения, в результате чего потенциал в разных точках оказывается разным.

Для минимизации разности потенциалов принято общий провод (землю) разводить в виде звезды. В этом случае к каждому потребителю идёт свой проводник. На фотографии показан пример такой правильной разводки общего провода. Для снижения сопротивления дорожек печатных проводников можно использовать разные приёмы. Например, покрыть дорожку толстым слоем олова или припаять вдоль дорожки лужёную толстую проволоку.

Для минимизации фона сети нужно принять меры от проникновения импульсов заряда фильтрующих конденсаторов блока питания
в усилитель. Для этого дорожки от выпрямителя должны идти только непосредственно на конденсаторы фильтра. Так как по ним циркулируют
мощные импульсы зарядного тока, ничего другого к ним подключать нельзя. Провода питания усилителя должны подключаться к выводам
конденсаторов фильтра.

Правильное подключение (монтаж) блока питания для усилителя с однополярным питанием показан на рисунке ниже:

Рис.1 Правильное подключение (монтаж) однополярного блока питания усилителя

Монтажная схема двухполярного блока питания усилителя мощности, по сути, представляет собой два «отзеркаленных» однополярных блока (Рис.2).

Рис.2 Подключение (монтаж) двухполярного блока питания усилителя

Казалось бы, что может быть проще – взял блок питания, подключил его двумя или тремя проводами к усилителю и всё… должно запеть?
Оказывается не всегда.
Часто радиолюбители стараются придать своему усилителю мощность, в разы превышающую необходимую для озвучивания помещения,
мотивируя это тем, что так получается более высокий динамический диапазон. При этом усилители большой мощности порой решают одни проблемы,
но создают другие.

Индуктивность проводников питания является основным «слабым звеном» усилителей мощности класса АВ. В таких усилителях выходные транзисторы,
отвечающие за разнополярные полуволны, включаются и выключаются поочерёдно. Соответственно по плюсовой и минусовой шинам питания протекают
противофазные полуволны зарядных токов. Если эти импульсы через ёмкостные и индуктивные связи попадут в звуковой тракт, это существенно
скажется на качестве звучания.

Рис.3 Бифилярная скрутка проводов питания УМЗЧ

Бифилярная скрутка разнополярных проводов питания эффективно подавляет излучаемые помехи за счёт взаимной компенсации положи- тельной и отрицательной полуволн. На печатной плате этот метод можно реализовать, если шины питания расположить друг над другом с разных сторон двухсторонней платы. Сплошное заземление одной из сторон печатной платы хорошо работает только в слаботочных конструкциях. Для УМЗЧ это не очень подходит, потому как трудно пред- сказать протекание токов в разных точках заземления.

Рис.4 Подключение фильтрующих конденсаторов

При использовании дополнительных фильтрующих конденсаторов, рас- положенных на плате, надо следить, чтобы обе полуволны сигнала суммировались в одной точке земли, как это показано на Рис.4. В эту же точку следует подключать цепь Цобеля на выходе усилителя, предотвращающую его возбуждение на высоких частотах. Импульсы тока в этой цепи могут вызвать проблемы, поэтому должны замыкаться на «грязную» землю, то есть на общий вывод конденсаторов фильтра.

Сюда же следует подключать минусовую клемму громкоговорителя, потому как акустическая система является реактивной нагрузкой. А значит, она
может возвращать ток усилителю, что приводит к появлению положительной обратной связи и как следствие – нестабильности усилителя.

Земляная шина каскадов предварительного усиления (с малыми токами потребления) также должна соединяться отдельным проводом или дорожкой
с точкой «грязной» земли, указанной на Рис.4.

Обычно основная «звезда» в усилителе с однополярным питанием бывает трёхлучевой: сигнальная земля, земля конденсаторов фильтра питания и
«грязная» земля. Пример такой топологии представлен на Рис.5:

Рис.5 Пример правильной топологии усилителя мощности

Здесь под “Generic amplifier” следует понимать: как УМЗЧ в интегральном исполнении, так и усилители на дискретных элементах.

Как можно увидеть, к одному лучу подключена сигнальная земля – здесь токи очень малы, поэтому подсоединять все элементы отдельными
проводниками
нет необходимости. Ко второму лучу отдельными проводниками подключены выводы сильноточных цепей: выходного каскада, цепи Цобеля,
нулевой вывод акустической системы и минус байпасных конденсаторов. К третьему лучу подключён общий вывод фильтрующего конденсатора
блока питания.

Как-то так сложилось, что заземлением в усилителях часто называют общий провод. Хотя, по определению, заземляющий контакт должен находиться
в первую очередь в ваших розетках. К этому контакту подключается корпус усилителя. Вот это и есть настоящее заземление, основное
назначение которого защита от поражения электрическим током. Заземление должно быть подключено к общему проводу усилителя через
развязывающий резистор (обычно 1кОм 0,5Вт) зашунтированный блокировочным конденсатором на 10нФ (Рис.5).

Обычно рекомендуют подключать общий провод к заземлению у входных разъёмов, именно здесь важно точно выдержать нулевой потенциал.
Однако, на практике, если вы подключите заземление к «грязной земле» (корректнее назвать общим проводом) или «сигнальной земле»
на печатной плате, это не сильно увеличит фон.
В усилителях с балансным входом точка подключения заземления вообще не играет никакой роли.

А теперь давайте посмотрим на рекомендации компании LYNX AUDIO по монтажному соединению блоков усилителя, которые не сильно вступают
в противоречия с тем, что было написано выше:

Рис.6 Пример топологии усилителя мощности от LYNX AUDIO

Здесь (Рис.6) левые клеммы на плате усилителя идут ко входному и драйверному каскадам, а правые – к выходному каскаду.

Стереофонический усилитель это по сути два монофонических усилителя.
Использование двух трансформаторов или трансформатора с раздельными
обмотками и двумя отдельными выпрямителями не создаёт никаких проблем, обеспечивая полную изоляцию земляных проводников и тем
самым предотвращая образование земляной петли.

Рис.7 Земляная петля в стерео УМЗЧ

Если у обоих каналов один (общий) источник питания, то ток, идущий по общему проводу, замыкается через источник сигнала, так как обычно выходные разъёмы источника имеют один общий вывод. В контур попадают и межблочные кабели, которые часто бывают не такие уж и короткие! Подобная “антенна” наводит на входе усилителя фон ощутимой амплитуды, который вполне можно услышать, стоя вплотную к акустической системе!

Рис.8 Два способа устранения земляной петли

Проблема заземления в профес- сиональных усилителях устраняется с помощью использования балансных входов, которым не требуется земля для прохождения сигнала. Для усилителей с несимметричным входом стандартным приёмом является использование развязывающих резис- торов сопротивлением от 2,2 до 22 Ом между сигнальной землёй и основной точкой заземления на источнике питания (Рис.8 сверху). Такое решение было использовано в новаторском усилителе мощности Quad 303 в 1969 году. Общий вывод входов соединяется с общим контактом блока питания посредством отдельного толстого проводника. Другой метод заключается в исполь- зовании для малоточных цепей правого и левого канала одного общего проводника сигнальной земли с зер- кальным расположением элементов, как это показано на Рис.8 снизу. Напомним, что использование силового трансформатора с раздельными на каждый канал обмотками и отдельными выпрямителями, обеспечивает полную изоляцию земляных проводников, поэтому никаких специальных мер по предотвращению образования земля- ной петли не нужно. Помимо этого, трансформатор с отдельными вторичными обмотками почти полностью решает проблему появления перекрёстных искажений между каналами, то есть проблему, когда сигнал проникает из одного канала в другой. Поэтому, если ваш принцип – “мы за ценой не постоим”, тогда идеальным решением будут два моноблока или отдельные блоки питания для каждого канала.

Принципы разводки плат аналого-цифровых устройств мало чем отличаются от рекомендаций, описанных выше. При этом надо зорко следить, чтобы
на плате аналоговая область была отделена от цифровой, не допуская перекрытий аналоговых и цифровых
полигонов. В противном случае распределённая ёмкость между перекрывающимися участками будет создавать связь по переменному току, и
наводки от работы цифровых компонентов попадут в аналоговую схему.

Шины земли аналоговой и цифровой частей должны быть разведены “звездой”.

Рис.9 Примеры правильной и неправильной разводки аналого-цифровых устройств

Питание аналоговой и цифровой частей желательно производить от разных источников (Рис.9). Если питание
производится от одного ИП, то его надо либо разводить раздельными полигонами, либо между цифровой и аналоговой частями включать
сопротивление небольшого номинала (10…100 Ом), как это можно увидеть на топологии усилителя (Рис.5).

Дополнительно выводы питания должны быть зашунтированы на землю чип-конденсаторами с малой индуктивностью либо керамическими,
располагая их как можно ближе к выводам питания аналоговых и цифровых участков устройства.