8.2. Системы земель

Общим термином «земля» нередко обозначают различные по назначению и физическому исполнению систе-. мы проводящих поверхностей и электрических соединений. Их можно функционально подразделить на четыре основные группы. Первая — это проводящие системы, по отношению к которым производится отсчет напряжений сигналов и (или) питания, при этом потенциал самой системы принимается равным нулю. Примерами таких систем могут служить, например, так называемая «сигнальная земля» в аналоговых измерительных системах или так называемая «физическая земля» и т. п. Условно назовем такие системы земель базовыми. Вторая группа соединений предназначена для образования путей протекания обратных сигнальных и питающих токов. Примерами таких систем могут служить так называемая «общая шина» вторичного питания, «нейтраль» или «нулевой провод» первичного питания и т. п. Условно назовем такие системы соединений возвратными. Третья группа поверхностей и соединений служит для экранирования изделий и их частей, восприимчивых к помехам или излучающих помехи. Такие системы называются экранирующими. И, наконец, четвертая группа соединений предназначена для исключения возможности поражения обслуживающего персонала электрическим током. Такие системы соединений обычно называют защитными. -

Перечисленные системы редко удается выполнить совершенно обособленными. Обычно совмещены базовая и

возвратная система в цепях первичного и вторичного питания, а также экранирующая и защитные системы. Между тем совмещение систем обычно влечет за собой ухудшение свойств изделий, обусловливающих обеспечение электромагнитной совместимости. Так, например, основное требование к любой базовой системе земель — это эквипотенциальность всех точек системы. Но если система также и возвратная, то по ней протекают постоянные и импульсные токи. Вследствие падения напряжения от этих токов на активных и индуктивных сопротивлениях системы эквипотенциальность системы нарушается, и это является одной из основных причин снижения помехозащищенности изделий.

Уменьшить восприимчивость частей изделия к неэквипотенциальности системы земель можно с помощью снижения активного и индуктивного сопротивлений частей системы, продуманного выполнения топологии системы, уменьшения амплитуд и крутизны фронтов обратных токов, а также путем применения гальванических развязок или парафазных информационных линий связи.

Топология функциональной системы земель может представлять собой сплошную поверхность, магистральную, радиальную или смешанную системы соединений (рис. 8.1).

Сплошная поверхность обладает относительно низкими значениями активного и индуктивного сопротивлений и обеспечивает наилучшую эквипотенциальность по сравнению с другими топологическими формами. Широкое применение такая топология находит в многослойных платах печатного монтажа логических частей ЦТС, а также для

Рис. 8.1. Разновидности системы земель: а — сплошная поверхность; б — магистральная система; в — радиальная система

создания экранирующих конструкций изделий. Магистральная система соединений наиболее экономична, но менее других пригодна для построения возвратных систем, особенно если между частями (элементами, блоками, стойками) изделий (1-4 на рис. 8.1,б) имеются информационные линии связи. Пусть, например, элемент-передатчик 1 связан с элементом-приемником 4, а элемент-передатчик 2 связан с элементом-приемником 3 однофазными информационными линиями. Тогда при протекании обратного тока i от каждого сигнала передатчика 1 через общий участок магистрали на его активном и индуктивном сопротивлениях возникает напряжение помехи приемнику 3 AU, аддитивное по отношению к сигналам передатчика 2. Точно так же на этом же участке магистрали возникает напряжение помехи приемнику 4, аддитивное по отношению к сигналам передатчика 1, когда работает передатчик 2.

Несколько улучшить положение можно в тех случаях, когда конструктор имеет возможность расположить части (элементы, блоки, стойки) вдоль магистрали таким образом, чтобы информационные линии соединяли только расположенные рядом части, т. е. не образовывались бы общие участки магистрали для возвратных токов от сигналов разных передатчиков.

Но это еще не все, так как возвратная система для информационных сигналов, как правило, является также возвратной системой и для токов вторичного питания. Пусть, например, источник питания подсоединен к магистральной системе в точке О (рис. ). Тогда при всяком срабатывании передатчика 1 изменяется ток, потребляемый от источника питания как передатчиком 1, так и приемником 4, И опять на общем участке от этого тока образуется сигнал помехи приемнику 3. Как бы мы ни располагали элементы вдоль магистрали, всегда изменение токов потребления элементов, расположенных дальше от источника питания, приводит к появлению сигналов помех на входах приемников, расположенных ближе к источнику питания. Очевидно, что несколько снизить указанные помехи можно, расположив ближе к источнику питания части, потребляющие больший ток, и приемники с наименьшей восприимчивостью.

В последнее время широкое применение для построения микропроцессорных ЦТС нашли унифицированные интерфейсы типа общей шины, Multibus и т. п. При этом отдельные части ЦТС соединяются между собой многоканальными

двунаправленными магистральными линиями связи. В этих условиях невозможно избежать применения возвратно-базовой магистральной системы земель, несмотря на изложенные выше ее недостатки.

Радиальная система соединений (рис. 8.1, б) имеет меньше общих участков для протекания обратных сигнальных и питающих токов. Но она менее экономична, так как требует в общем случае более длинных связей. Последнее может также ограничивать быстродействие ЦТС.

На практике чаще всего приходится иметь дело со смешанной системой соединений, при построении которой необходимо продуманно и творчески сочетать все три рассмотренных выше вида топологий. При этом следует по возможности избегать появления замкнутых контуров (петель) в системах земель или, по крайней мере, стремиться к тому, чтобы площадь контуров была минимальной, поскольку такого рода контуры обусловливают повышение восприимчивости изделий к помехам от импульсных магнитных полей.

Другое важное требование заключается в том, что обособленные системы земель должны соединяться между собой не более чем в одной точке, обычно именуемой опорным узлом. Обособленных систем в современных ЦТС может быть несколько: земля логической части изделий (т. е. возвратно-базовая система для информационных сигналов и вторичного питания), корпус изделия (т. е. за-щитно-экранирующая система) и нейтраль (т. е. возвратно-базовая система для первичного питания).

В тех случаях, когда группы ЦТС объединены в комплексы, опорных узлов может оказаться несколько. Тогда соединения опорных узлов между собой необходимо выполнять топологически в виде разветвленного дерева (без образования замкнутых контуров). Нередко контуры образуются вследствие автономного выполнения защитного заземления каждого изделия комплекса. В этой связи полезно знать условия, при соблюдении которых можно не производить защитное заземление, не нарушая при этом правил техники безопасности. Защитное заземление можно не производить в следующих случаях [111]:

если устройство питается от сети напряжением не выше 500 В и находится при этом в помещении, в котором нет условий повышенной или особой опасности. В таких помещениях относительная влажность не должна превышать а температура должна быть не более не должно быть токопроводящих полов, токопроводящей пыли и

химически активной среды. Должна быть исключена возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей устройствам или конструкциям, с одной стороны, и к металлическим корпусам незаземленных устройств — с другой;

если устройство питается от разделяющего или понижающего трансформатора, выполняющего роль разделяющего. Трансформаторы должны удовлетворять специальным техническим требованиям в отношении повышенной надежности конструкции и повышенных испытательных напряжений. Вторичное напряжение трансформаторов не должно превышать 380 В. Корпус трансформаторов должен быть заземлен;

если устройство питается от сети переменного тока напряжением 36 В и ниже или постоянного тока 110 В и ниже;

если система питания устройств содержит систему защитного отключения, которая обеспечивает автоматическое отключение всех фаз питания устройства с полным временем отключения с момента возникновения однофазного замыкания не более 0,2 с;

если устройство обслуживается с изолированных площадок, которые выполнены таким образом, что прикосновение к представляющим опасность незаземленным частям устройства может быть только с площадки;

если электроприемники в устройстве, питающиеся от сети переменного тока напряжением более 36 В или постоянного тока напряжением более 110 В, снабжены двойной изоляцией. При этом в электроприемниках должны быть две независимые и рассчитанные на номинальное напряжение ступени изоляции, выполненные таким образом, что повреждение одной из них не приводит к появлению потенциала на доступных прикосновению металлических частях.