Dây GND là gì ? Mass là gì? Ký hiệu GND, dây mass là gì?
Trong bài viết này, bạn sẽ học về cách phân loại GND và nguyên lý hoạt động của nó. GND là viết tắt của ground (nối đất). GND đại diện cho dây nối đất hoặc dây 0. Đây không phải là nối đất thực sự, mà là nối đất giả định cho mục đích ứng dụng. Đối với nguồn cấp điện, nó là cực âm của nguồn cấp điện.
GND trong mạch điện là gì? Trong quá trình định tuyến bố trí mạch in PCB, các kỹ sư phải đối mặt với các cách xử lý GND khác nhau. Tại sao? Trong giai đoạn thiết kế nguyên lý mạch điện, để giảm nhiễu lẫn nhau giữa các mạch, các kỹ sư thường đưa vào các nối đất GND khác nhau làm điểm tham chiếu 0V cho các mạch chức năng khác nhau, tạo thành các vòng dòng khác nhau.
Phân loại GND
1. Nối đất tương tự AGND
Nối đất tương tự AGND chủ yếu được sử dụng trong phần mạch tương tự, chẳng hạn như mạch thu thập ADC của cảm biến tương tự, mạch khuếch đại tương tự, v.v.
Trong các mạch tương tự này, do tín hiệu là tương tự và yếu, nên dễ bị ảnh hưởng bởi dòng điện lớn từ các mạch khác. Nếu không phân biệt, dòng điện lớn sẽ tạo ra độ sụt áp lớn trong mạch tương tự, khiến tín hiệu tương tự méo và có thể gây hỏng chức năng mạch tương tự nghiêm trọng.
2. Nối đất kỹ thuật số DGND
Nối đất kỹ thuật số DGND, rõ ràng là tương đối với nối đất tương tự AGND, chủ yếu được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số, chẳng hạn như mạch phát hiện phím, mạch giao tiếp USB, mạch vi điều khiển, v.v.
Lý do tại sao DGND được thiết lập là vì các mạch kỹ thuật số có một đặc điểm chung. Chúng đều là các tín hiệu rời rạc, chỉ phân biệt số “0” và số “1”, như trong hình dưới đây.
Trong quá trình chuyển từ điện áp số “0” sang điện áp số “1”, hoặc chuyển từ điện áp số “1” sang điện áp số “0”, điện áp có sự thay đổi. Theo lý thuyết điện từ Maxwell, sự thay đổi của dòng điện sẽ tạo ra một từ trường xung quanh, hình thành bức xạ EMC tới các mạch khác.
Để giảm tác động của bức xạ EMC của mạch, phải sử dụng nối đất kỹ thuật số DGND riêng biệt để cách ly hiệu quả các mạch khác.
3. Nối đất nguồn PGND
Nối đất tương tự AGND hoặc nối đất kỹ thuật số DGND, đều là các mạch công suất thấp. Trong các mạch công suất cao, chẳng hạn như mạch điều khiển động cơ, mạch điều khiển van điện từ, v.v., cũng có một nối đất tham chiếu riêng, được gọi là nối đất nguồn PGND.
Các mạch công suất cao, như tên gọi, là các mạch dòng điện tương đối lớn. Rõ ràng, dòng điện lớn có khả năng gây ra sự lệch nối đất giữa các mạch có chức năng khác nhau, như trong hình dưới đây.
Một khi có sự dịch chuyển nối đất trong mạch, điện áp 5V ban đầu có thể không phải là 5V mà là 4V. Vì điện áp 5V được tham chiếu đến đường nối đất GND 0V, nếu sự lệch nối đất làm đường GND tăng từ 0V lên 1V thì điện áp 5V trước đó (5V-0V=5V) trở thành 4V hiện tại (5V-1V=4V).
4. Nối đất nguồn GND
Nối đất tương tự AGND, nối đất kỹ thuật số DGND và nối đất nguồn PGND, đều được phân loại là nối đất DC GND. Các loại nối đất khác nhau này, cuối cùng đều được kết hợp lại thành nối đất tham chiếu 0V cho toàn bộ mạch, nối đất này được gọi là nối đất nguồn GND.
Điện áp và dòng điện cần thiết cho tất cả các mạch hoạt động đều đến từ nguồn cấp điện. Do đó, GND của nguồn cấp điện là điểm tham chiếu điện áp 0V cho tất cả các mạch.
Đây là lý do tại sao các loại nối đất khác, dù là nối đất tương tự AGND, nối đất kỹ thuật số DGND hay nối đất nguồn PGND, cuối cùng đều cần được kết hợp với nối đất nguồn GND.
5. Nối đất xoay chiều CGND
Nối đất xoay chiều CGND thường có trong các dự án mạch có chứa nguồn xoay chiều, chẳng hạn như mạch nguồn AC to DC.
Mạch nguồn AC-DC được chia thành hai phần. Phần đầu của mạch là phần AC và phần sau của mạch là phần DC, buộc phải hình thành hai nối đất, một cho nối đất AC và một cho nối đất DC.
Nối đất AC đóng vai trò là điểm tham chiếu 0V cho phần mạch AC, và nối đất DC đóng vai trò là điểm tham chiếu 0V cho phần mạch DC. Thông thường, để thống nhất một nối đất GND trong một mạch, các kỹ sư kết nối nối đất AC với nối đất DC thông qua một tụ điện hoặc cuộn cảm ghép nối.
6. Nối đất bảo vệ EGND
Điện áp an toàn cho cơ thể con người là dưới 36V. Điện áp vượt quá 36V có thể gây tổn thương cho cơ thể nếu tiếp xúc, đây là kiến thức an toàn phổ biến cho các kỹ sư trong quá trình phát triển và thiết kế giải pháp dự án mạch.
Để tăng hệ số an toàn của mạch, các kỹ sư thường sử dụng nối đất bảo vệ EGND trong các dự án điện áp cao và dòng điện lớn, chẳng hạn như trong các mạch của các thiết bị gia dụng như quạt điện, tủ lạnh và TV. Ổ cắm có bảo vệ nối đất EGND được thể hiện trong hình dưới đây.
220V AC chỉ cần dây pha và dây zero. Tại sao ổ cắm cho thiết bị gia dụng có 3 đầu cắm?
Hai trong 3 đầu cắm của ổ cắm được sử dụng cho dây pha và dây zero 220V, và đầu cắm còn lại – nối đất bảo vệ EGND là để đóng vai trò bảo vệ.
Nối đất bảo vệ EGND, nó chỉ được kết nối với đất của chúng ta, để đóng vai trò bảo vệ điện áp cao. Nó không tham gia vào chức năng mạch của dự án.
Do đó, ý nghĩa của EGND và các loại mạch GND khác là rất khác nhau.
Nguyên lý hoạt động của GND
Làm thế nào một nối đất GND có thể có nhiều sự phân biệt như vậy, và làm thế nào một vấn đề mạch đơn giản lại có thể trở nên phức tạp như vậy?
Tại sao lại cần phải giới thiệu quá nhiều phân loại của chức năng nối đất GND?
Thông thường, các kỹ sư chỉ đơn giản đặt tên loại thiết kế dây nối đất GND này là GND. Không có sự phân biệt trong quá trình thiết kế sơ đồ nguyên lý, điều này gây khó khăn trong việc xác định hiệu quả các dây nối đất GND của các chức năng mạch khác nhau trong quá trình bố trí mạch in PCB. Họ trực tiếp và đơn giản kết nối tất cả các dây nối đất GND với nhau.
Mặc dù điều này dễ thực hiện, nhưng nó sẽ dẫn đến một loạt vấn đề.
1. Nhiễu tín hiệu
Nếu các chức năng khác nhau của nối đất GND được kết nối trực tiếp với nhau, các mạch công suất cao thông qua nối đất GND sẽ ảnh hưởng đến điểm tham chiếu 0V GND của các mạch công suất thấp để tạo ra nhiễu giữa các tín hiệu của các mạch khác nhau.
2. Độ chính xác tín hiệu
Chỉ số cốt lõi của mạch tương tự là độ chính xác của tín hiệu. Nếu không có độ chính xác, mạch tương tự mất ý nghĩa chức năng gốc.
Nối đất CGND của nguồn xoay chiều là một sóng sin dao động lên xuống định kỳ. Điện áp của nó cũng dao động lên xuống, không luôn duy trì ở mức 0V không đổi như nối đất DC GND.
Kết nối nối đất GND của các mạch khác nhau với nhau, nối đất xoay chiều CGND thay đổi theo chu kỳ sẽ làm cho nối đất mạch tương tự AGND thay đổi, điều này sẽ ảnh hưởng đến giá trị độ chính xác điện áp của tín hiệu tương tự.
3. Thử nghiệm EMC
Tín hiệu càng yếu thì EMC của bức xạ điện từ bên ngoài càng yếu. Tín hiệu càng mạnh thì EMC của bức xạ điện từ bên ngoài càng mạnh.
Nếu GND của các mạch khác nhau được kết nối với nhau, GND của mạch có tín hiệu mạnh can thiệp trực tiếp vào GND của mạch có tín hiệu yếu. Hậu quả là EMC có tín hiệu yếu trở thành nguồn bức xạ EMR bên ngoài mạnh, làm tăng độ khó của mạch xử lý thử nghiệm EMC.
4. Độ tin cậy của mạch
Giữa các hệ thống mạch, càng ít phần kết nối tín hiệu, khả năng hoạt động độc lập của mạch càng mạnh; càng nhiều phần kết nối tín hiệu, khả năng hoạt động độc lập của mạch càng yếu.
Nếu không có giao điểm giữa hai hệ thống mạch A và B, rõ ràng là chức năng của hệ thống mạch A không thể ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hệ thống mạch B. Tương tự, chức năng của hệ thống mạch B không thể ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hệ thống mạch A.
Nếu các dây nối đất của các chức năng khác nhau được kết nối với nhau trong hệ thống mạch, điều này tương đương với việc tăng thêm một mắt xích nhiễu giữa các mạch, tức là giảm độ tin cậy hoạt động của mạch.