Системы заземления

Термин «земля» является неоднозначным понятием для инженеров различных специальностей. Так, для разработчиков схем – это общая точка данной схемы. Специалисты по антеннам интересуются главным образом тем, как влияет на соответствующие характеристики антенны отражающая поверхность - «земля». В некоторых случаях общий корпус («земля») используется как обратный проводник.

Заземляющие устройства можно разделить на две категории: защитные и рабочие. Назначение защитных заземлений – обеспечение эквипотенциальности элементов конструкции при потенциале, равном или близком к потенциалу «земли». Цепи заземления при этом должны иметь малое сопротивление для опасных токов, которые по тем или иным причинам (при аварийных ситуациях, воздействиях молний и т.п.) могут возникать в РЭС. Как правило, защитные заземления должны иметь хороший низкоомный контакт с «землей».

Рабочие заземления включают в себя заземление силового оборудования (сильноточных цепей), которое по своему функциональному назначению требует наличия заземления, и сигнальное или схемное заземление, обеспечивающее опорный потенциал для электронных, аналоговых и цифровых схем. Цель подобной системы заземления – снизить уровень взаимовлияния между различными электронными схемами.

Неудачное выполнение цепей заземления корпуса устройства РЭС или экранированного сооружения, в котором размещены РЭС, приводит к уменьшению эффективности экранирования от НЭМП. Особенность цепей заземления связана с тем, что нередко они выполняют одновременно несколько функций: защитного заземления и обеспечения эквипотенциальности и «обратного» проводника цепей.

Совмещение нескольких функций одной системой проводников и проводящих поверхностей приводит к тому, что по указанным проводникам протекают электрические токи от различных источников (рисунок 22.2). В общем случае это обратные токи I₁ для различных сигналов, токи I₂ в цепи защитного заземления, токи I₃, обусловленные заземлением экрана. Из-за конечного сопротивления земляной шины на любом общем ее участке с сопротивлением R_о6щ (например, участок а - б на рисунке 22.2) создается падение напряжения, U_пом = (I₁ + I₂ + I₃)·R_о6щ, пропорциональное токам в цепи заземления. Это напряжение представляет собой ЭДС помех для любого рецептора, где участок указанной шины используется в качестве проводника его электрической цепи (участок а - б на рисунке 22.2). Несмотря на малую величину R_о6щ, ЭДС помехи может иметь неприемлемое значение для соответствующего рецептора помех. Так, если сопротивление R_о6щ = 10^-2 Ом, ток помех равен 1 А, падение напряжения на этом сопротивлении составляет 10 мВ, что может быть совершенно недопустимым для ряда рецепторов.

Рисунок 22.2 – Схема влияния помех в системе заземления

Вторая причина возникновения помех в цепях заземления связана с образованием так называемых контуров заземления. Рассмотрим два устройства, соединенные парой проводников, один из которых является сигнальным, а другой служит для протекания обратных токов (рисунок 22.3). Пусть возвратный проводник соединен с корпусом устройства, а корпус - с землей. Если этот проводник соединен с корпусом и второго устройства, также имеющего электрический контакт с землей (соединение 2'-3'), образуется замкнутый проводящий контур 2-2'-3'-3-2. Внешнее электромагнитное поле наводит в этом контуре эдс помех, вызывая протекание тока I_п, который, в свою очередь, создает на участке 2-3 падение напряжения, равное U_п = I_п·Z₁₃. В результате разность потенциалов между точками 1-2 изменяется на значение U_п = I_п·Z₁₃, представляющее собой напряжение помех на входе рецептора. Если отсутствует проводник 2'-3' или соединение про­водника 2-2' с корпусом второго устройства, возможность образования контура заземления полностью не исключается. В этих случаях контур может состоять из проводников 2-2', 3-3', земляной шины и паразитных емкостей между сигнальной цепью и корпусом устройства С₂, а также между корпусом и землей С₂₃ (22.3).

Рис. 22.3 – Схема образования контура заземления

Таким образом, напряжение помехи, связанное с несовершенством системы заземления, оказывается тем большим, чем больше сопротивление земляной шины, площадь контура заземления и комплексное сопротивление заземляющих проводников.

Наиболее общие правила выполнения цепей заземления:

1. Величины сопротивлений заземляющих проводников, а также общих земляных шин должны быть минимальными. Подчеркнем, что на уровень помех влияет комплексное сопротивление указанных проводников, которые должны обладать минимальными активным сопротивлением и собственной индуктивностью. С учетом того, что помехи могут быть как низко-, так и высокочастотными, выполнение указанного требования осложняется наличием поверхностного эффекта, приводящего к росту активного сопротивления и индуктивности проводника. Для реализации этого требования заземляющие проводники должны, прежде всего, иметь минимально возможную длину l_з меньшей длины волны помехи: l_з < 0,02·_п. Для уменьшения сопротивления форма и размеры поперечного сечения заземляющих проводников должны быть такими, чтобы на частоте помехи обеспечивались малые активное и реактивное сопротивления. Поскольку эти величины уменьшаются с ростом поперечных размеров проводника, а по мере повышения частоты все более проявляется поверхностный эффект, целесообразно применять заземляющие проводники в виде трубок, обладающих полным наименьшим сопротивлением среди других проводников с такой же площадью поперечного сечения.

Важную роль в системе заземлений играет также качество электрических соединений, которые должны обеспечивать, во-первых, минимальное сопротивление контакта, во-вторых, надежный контакт в условиях климатических воздействий, а также вибраций. Кроме того, соединения должны исключать возможность образования окисных пленок на контактирующих поверхностях и связанных с ними нелинейных эффектов. Наконец, соединения должны исключать образование гальванических пар для предотвращения коррозии и появления помех, связанных с возникновением соответствующей эдс в цепи. Качественное выполнение соединений представляет собой важную конструкторскую задачу.

2. Следует по возможности избегать использования общих проводников в системах экранирующего и защитного заземлений и цепях, по которым протекают слабые токи сигналов.

3. Контуры заземлений должны отсутствовать (по возможности). Для их исключения используют изолирующие и нейтрализующие трансформаторы или оптроны.

По своему исполнению система схемных заземлений может быть одноточечной, «плавающей», многоточечной и региональной. На рисунке 22.4 приведены возможные варианты одноточечного заземления по системе «ёж» (рисунок 22.4, а) и «ёлочка» (одноточечное заземление с помощью шины, рисунок 22.4, б). Подобная система заземления, как правило, применяется в небольших экранированных подсистемах.

Рисунок 22.4 – Варианты выполнения одноточечного заземления

а – «ёж», б – «ёлочка»

К её достоинствам относится то, что она позволяет исключить образование больших петель, образующих контуры заземления. Однако конструктивное решение системы заземления в виде «ежа» или «ёлочки» сопряжено с определенными трудностями, в частности, при их реализации для систем со значительными линейными размерами. В этих случаях размеры цепей могут оказаться сравнимыми с длиной волны помехи, что может вызвать резонансные явления в соединительных кабелях и привести к несовместимости защищаемых систем.

Помимо одноточечного способа заземления, на практике применяется «плавающая» система заземления (рисунок 22.5), при которой каждый экранированный объем имеет собственную систему заземления, обычно одноточечную. Хотя данная система является «идеальным» способом решения для отдельных подсистем, она требует принятия дополнительных схемных мер, например, развязки с использованием оптронных пар.

Рисунок 22.5 – «Плавающая» система заземления

Для многих практических случаев достаточно эффективной является многоточечная система заземления (рисунок 22.6). Здесь каждая подсистема РЭС экранирована, заземлена и связана друг с другом посредством кабелей. Однако при этом требуется дополнительная защита вводов, хорошее экранирование кабелей и максимальное приближение их к «земле».

Рисунок 22.6 – Многоточечная система заземления

Комбинированными свойствами всех предыдущих систем заземления обладает региональная зональная система заземления. В этом случае в пределах каждой экранированной зоны сохраняется концепция одноточечной системы заземления. Однако все входы и выходы кабелей между зонами (подсистемами) должны иметь, как и в случае «плавающего» заземления, специальную систему развязки подсистем друг от друга.