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|科普|关于工程师口中神秘的“接地”

前言       

搞总线的,都知道总线要接地,但是作为普通人生活中也经常听别人提起“接地”。

       到底什么是接地?接哪个地?怎么接地?有几种地?很多人都是一头雾水,所以今天就来给大家科普一下工程师口中神秘的“接地”。

       工业现场CAN环境复杂多变,工程师面临信号的杂、乱、差总是显得束手无策,根本还是在于各种接地。

       CAN总线以其高牢靠性、实时性、灵活性以及谨慎的数据处理机制等特色,在工业现场和汽车行业得到了广泛运用,今天就通过CAN总线再给大家介绍下“接地”。

一、什么是接地

       接地”就是指在系统与某个电位基准之间建立低电阻通路,相同接地点之间的连线被称为地线。

       通常电子设备的“地”有两种含义:一种是接“大地”。以大地作为零电位,把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连,有保护设备和人员安全的作用。

       保护接地、防雷接地等,通常称之为“安全地”。

       另一种是“系统基准地”。在弱电系统中的接地不一定是指真实意义上与地球相连的接地。

       有提高系统稳定性、屏蔽保护性以增强系统电磁兼容性的作用,在必要时也可做接“大地”处理,通常称之为“信号地”。

       所以“接地”是日常工作和生活中电气使用中非常重要的一个环节,千万不可忽视!下面就带大家了解下神秘得“接地”到底有哪几种?

地”的几种符号表示


二、四种“地”

电源地(GND)

电源地概念:

       电源地也称为供电地,是为保证供电电源形成完整的电流回路设置的供电地, 即GND

电源地处理:

       与单电源供电的负极相连。以下为 CAN 收发器电源地(GND)接线:

CAN 收发器电源地(GND)接线

信号地(CAN-GND)

信号地概念:

       信号地也称为隔离地,为使电子设备工作时有一个统一的参考电位,避免有害电磁场的干扰,使设备稳定可靠的工作,设备中的信号电路统一参考地,即CAN-GND。

信号地处理:

       许多实际应用中,设计者常直接将每个节点的参考地接于本地的大地,作为信号的返回地, 看似正常可靠的做法,却存在极大的隐患!

信号地(CAN-GND)正确的接法主要分为两种:

       单屏蔽层线缆:如果线缆是单屏蔽层,信号地理想接法是使用专门的信号线将所有节点信号地连接,起到参考地的作用。

       但如果缺少信号地线,亦可将所有节点信号地都连接到屏蔽层,但这样屏蔽效果不尽如人意。

带有屏蔽层双绞线

含信号地线双绞线连接方式

信号地与屏蔽层连接方式

双屏蔽层信号地处理方式

双屏蔽层线缆:

       当使用双层屏蔽电缆时,需要将所有节点信号地连接到内屏蔽层,若使用非屏蔽线进行数据传输时,请保持信号地管脚悬空处理。

       所有节点信号地接到屏蔽层或者双屏蔽层的内层后,屏蔽层处理方式注意为单点接地,不可多点接地,否则会在信号地线上形成地环流。

未进行单点接地处理的报文受到电磁干扰

       另外,单点接地时为了加大供电地和信号地之间的隔离电阻,阻止共地阻抗电路耦合产生的电磁干扰,注意采用隔离浮地设计,通过阻容方式将屏蔽层与外壳隔离。

 

屏蔽地(CAN-Shield)

屏蔽地概念:

单屏蔽层和双屏蔽层电缆剖析

       屏蔽地(CAN-Shield)也可理解为 CAN 屏蔽层,部分场合也标为FG。

       导体外部有导体包裹的导线叫屏蔽线,包裹的导体叫屏蔽层,一般为编织铜网或铜泊(铝),屏蔽层需要接地处理,保证外来的干扰信号可被该层导入大地。

屏蔽地处理:

       当使用双层屏蔽电缆时,CAN-Shield 连接到外屏蔽层和 DB9 连接器的屏蔽壳。

      并且,使用 DB9 针式连接器时外屏蔽层会被连接到 pin 5 以保证当使用没有屏蔽连接的连接器时, 可靠的接地。

双屏蔽层线中信号地、屏蔽地处理方式

       多节点总线同样要求屏蔽地采用单点接地,防止形成回路,并且为浮地设计。如下图 9 所示处理方式,CTM1051 模块 3 脚为屏蔽地,5 脚为信号地。

 

外壳地

外壳地概念:

       静电的电荷集聚在物体的表面,一旦遇到可以释放的回路就可以形成电流。有时候产生的电压非常高,特别是在干燥的环境里。电子产品的外壳地就是用来快速地将电荷释放到大地。

外壳地处理:

信号地、屏蔽地、外壳接地连接推荐电路

       外壳接地既是对人体安全的保护,也是防干扰的一种手段,因为一般情况下机壳是金属的, 是非常好的屏蔽体,绝大部分辐射干扰都可以阻挡在机壳之外。

       通过地线引入的干扰(也叫共阻抗干扰),处理方法一般采用地线隔离技术,在外壳接地时接入阻抗,加入滤波等。

 


三、总结

什么是接地:

       将电力系统或电气装置的某一部分经接地线连接到接地极称为接地。

       连接到接地极的导线称为接地线。接地极与接地线合称为接地装置。若干接地体在大地中互相连接则组成接地网,接地线又可分为接地干线和接地支线。

接地的作用:

防止人身遭受电击

       将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与接地极之间作良好的金属连接来保护人体的安全。

       对于有接地装置的电气设备,当绝缘损坏、外壳带电时,接地电流将同时沿着接地极和人体两条通路流过。流过每条通路的电流值将与其电阻的大小成反比,接地极电阻越小,流经人体的电流也就越小。

       当接地电阻极小时,流经人体的电流趋近于零,人体因此避免触电的危险。因此,无论任何情况,都应保证接地电阻不大于设计或规程中规定的接地电阻值。

保障电气系统正常运行

       电力系统接地一般为中性点接地,因此中性点与地间的电位接近于零。当相线碰壳或接地时,其他两相对地电压,在中性点绝缘系统中将升高为相电压的倍;

       在中性点接地的系统中则接近于相电压。由于有了中性点的接地线,可保证继电保护的可靠性。通信系统中的直流供电一般采用正极接地,可防止杂音窜入和保证通信设备正常运行。