Всем знакомы термины: «разность потенциалов» между узлами схемы или между точками в цепи, «напряжение на радиоэлементе», «напряжение или потенциал в данной точке схемы». Все эти термины хотя и кажутся разными, на самом деле сводятся к одному и тому же вопросу. Между двумя точками всегда есть электрическое напряжение – мы не можем говорить о напряжении в одной точке. Даже если описываем состояние схемы или цепи, то всегда используем две точки. То есть когда говорим о напряжении в какой-либо точке схемы, фактически говорим о напряжении между этой точкой и определенной частью электросхемы, взятой в качестве точки отсчета. Именно этот узел, относительно которого считаем потенциал, является так называемой массой.
Конечно также можем измерить напряжение в цепи между определенными точками, ни одна из которых не является массой. Тогда говорим о напряжении между двумя точками схемы и конкретно указываем, какие места в цепи затрагиваются. Помните, что напряжение между двумя точками в схеме есть не что иное, как разность потенциалов между ними.
Иногда называют падением напряжения. Чаще всего используем этот термин, когда говорим о напряжении на резисторе, через которое протекает ток. Как известно из закона Ома, что напряжение на резисторе прямо пропорционально его электрическому сопротивлению и току, протекающему через него. Поэтому, когда говорим о падении напряжения на резисторе, имеем в виду напряжение, измеренное между одним концом радиоэлемента и другим.
Как видите, можно определить одну и ту же электрическую величину тремя способами: падение напряжения, разность потенциалов и просто напряжение. Это разнообразие может сбивать с толку, поэтому следует сразу привыкнуть ко всем этим терминам.
Несколько слов о массе
Откуда произошло название "масса"? Старые электронные схемы собирались без использования печатных плат. Все элементы монтировались на общем металлическом каркасе или пластине. Отчасти именно из этой – теперь уже исторической – пластины и ее довольно больших размеров (большой массы) и возникло понятие, которое ещё иногда упоминается как шасси. На схемах также используется сокращение GND (земля, Ground) – по этой причине понятие массы часто путают с понятием заземления.
В течение многих лет наблюдали в электронных устройствах косвенное гальваническое (электрическое) соединение земли с "реальной" землей схемы. Поэтому обратите внимание на один важный момент: в подавляющем большинстве электронных устройств, встречающихся сегодня, заземление не будет таким же, как масса. Масса электронной схемы, например отрицательный полюс источника питания, аккумулятора или батарейки, чаще всего не связана с корпусом устройства. Так как различать понятия «земля» и «масса», чтобы они не вызывали путаницы?
В электронных устройствах с которыми имеем дело ежедневно, масса чаще всего связана с отрицательным полюсом источника питания, батареи или аккумулятора. Поэтому когда рассматриваем потенциал, преобладающий в данной точке цепи, то действительно имеем в виду напряжение измеренное между этой точкой и точкой заземления, то есть отрицательным полюсом источника питания.
Можно легко запомнить это следующим образом: подключите красный провод мультиметра (вольтметра) к точке где хотите измерить напряжение, и подключите черный провод к земле схемы. В настоящее время трудно найти схемы, в которых земля не подключена напрямую к отрицательному полюсу источника питания.
Следует подчеркнуть, что построение схемы может быть более сложным. Не всегда в устройстве только одно напряжение питания. Помимо схем с несколькими напряжениями – например 12 В, 5 В и 3,3 В – во многих источниках питания (в эту группу также входят компьютерные блоки питания ATX) существуют дополнительные отрицательные напряжения на землю. Что это значит? Можем представить такое решение как последовательное соединение двух источников напряжения, например, батареи, где точка заземления (контрольная точка) – это место, где эти две батареи соединяются.
В этой конфигурации свободный полюс одной из батарей будет подавать положительное напряжение, а свободный полюс другой будет подавать отрицательное. Если оба источника имеют одинаковое значение напряжения, говорим о так называемом симметричном питании. Особенно часто оно используется в аналоговых схемах, например, усилителях или некоторых измерителях.
Тенденция, которая присутствует в электронике в течение многих лет, указывает на то что схемы, требующие симметричного питания, постепенно уходят в прошлое. Это связано с тем, что проектирование электронных схем использующих только одно напряжение питания, намного проще, поскольку это снижает не только сложность, но также затраты. У этого решения конечно есть недостатки, но здесь не будем вдаваться в подробности. Единственное, что надо помнить в этом разделе это то, что цепи могут питаться симметричным или асимметричным напряжением, а опорный потенциал, с которым связаны все измерения напряжения в схеме, является потенциалом земли. Масса (земля) – понятие условное, но чаще всего это то же самое, что отрицательный полюс питающего напряжения или точка разделения симметричных напряжений.
Заземление и земля
Наверняка вы часто сталкиваетесь с концепцией заземления. В старину основная масса схемы была построена в виде металлического каркаса или пластины, которая в то же время была конструктивным элементом поддерживающим все устройство и его элементы. Но сегодня часто имеем дело с несколько другим подходом – отрицательный полюс источника питания, то есть заземление схемы, должен быть полностью отдельным узлом, не связанным с металлическим корпусом устройства или заземляющим контактом. Штырь этот в электрических розетках служит защитой от поражения током в случае, например, повреждения изоляции.
Такое решение бывает в лабораторных источниках питания, которые имеют три клеммы. Красная клемма – это положительный полюс источника питания. Черная клемма – отрицательный полюс, который в большинстве случаев приравнивается к заземлению схемы, подключенной к БП. Третья клемма обычно зеленая. Это фактическое заземление, электрически связанное с корпусом, заземляющий провод и соответствующий контакт на сетевой вилке. Такое решение приобретает все большее значение не только по соображениям безопасности, но и благодаря своим превосходным противоинтерференционным свойствам.
Конечно, связи между землей схемы и реальной землей иногда могут иметь различную форму, но не будем вдаваться в подробности обо всех возможных вариантах. Существует множество возможностей, и каждая из них должна быть тщательно продумана конструктором, чтобы избежать как ошибок в дизайне, так и опасностей, которые могут привести к поражению пользователя электрическим током в случае неправильного использования устройства или неполадки. Поэтому начинающим электронщикам не следует пытаться самостоятельно создавать устройства с питанием от сети.
Современные источники питания подключаемые к розетке или лабораторные источники питания, защищены таким образом, что даже в случае внутреннего повреждения БП обеспечивает пользователя надлежащей защитой. Поэтому если планируете собирать устройство с питанием от электросети 220 В, обязательно выберите качественный фирменный блок питания, который позволит спокойно работать, не беспокоясь о своей безопасности или безопасности других пользователей устройства. Не стоит экономить несколько рублей на покупке дешевого блока питания от неизвестного источника – безопасность – это главное, а цены на фирменные блоки питания больше не являются препятствием даже для начинающих энтузиастов электроники.
Кстати, международные стандарты требуют чтобы заземляющий провод в электрооборудовании имел желто-зеленую изоляцию. Поэтому в трехжильных силовых кабелях можно встретить провода с изоляцией «классического» цвета: коричневый (фаза), синий (нейтраль) и желто-зеленый (земля). Не рекомендуем использовать провода этих цветов для других соединений (даже низковольтных) в конструируемых устройствах – упомянутый набор цветов всегда должен четко соответствовать фактическому назначению кабелей.
Разметка земли и заземления на схеме
Если вы знакомы со схемами электронных устройств, то обязательно встретите различные типы маркировки линий электропитания. В случае с массой наиболее часто используемая маркировка – это жирная короткая линия, оканчивающая провод. Всегда рисуют эту линию горизонтально, благодаря чему маркировка масс бросается в глаза, и сразу видно какие элементы связаны друг с другом. Конечно все элементы отмеченные (связанные) с массовым символом, физически связаны друг с другом.
На схемах: 1 заземление, масса; 2 защитное заземление; 3 и 4 соединение с корпусом или шасси (массой)
Очень важно отличать заземление от массы, которое, как упоминалось ранее, обычно представляет собой полностью отдельную цепь. Заземление часто обозначается тремя линиями меньшей длины, электрическая линия подключается к самой длинной из этих черточек. На многих схемах также есть второй символ заземления, то есть одна горизонтальная линия с тремя короткими диагональными линиями, прикрепленными к ней. Конечно на схемах есть и другие обозначения линий электропитания. Чаще всего это будут, например, короткие стрелки с напряжением, преобладающим в этой цепи (например, + 5 В, -5 В, +12 В и так далее).
Если взять готовую печатную плату, например с компьютера, усилителя или даже мобильного телефона, можно заметить что помимо дорожек, соединяющих отдельные выводы элементов, видно еще одно большое медное поле. Конечно в подавляющем большинстве промышленных плат это поле, как и остальная часть платы, покрыто лаком зеленого или синего цвета. Но если внимательно посмотрите на печатную плату заметите, что промежутки между дорожками и элементами образуют одно большое общее соединение. Эта комбинация в подавляющем большинстве случаев и составляет массу схемы!
Конечно есть исключения, например в специализированных схемах, где таких полей меди (полигоны) может быть больше: один из них может быть подключен к земле, а другой – к питающему напряжению, например выходу импульсного преобразователя. Такие «многоугольники» особенно популярны из-за их хороших шумоподавляющих свойств.
Если же вся печатная плата, за исключением дорожек и мест предназначенных для пайки контактных площадок, покрыта сплошным полем заземления, то можем быть уверены что это заземление будет представлять собой очень хороший экран, защищающий схему от электромагнитных помех.
Еще раз подчеркнем, что не всякое медное поле связано с землей! Поэтому при проведении измерений или при ремонте готовых схем надо убедиться, что массовое поле действительно земля.
Думаем теперь вы поняли основные понятия массы и различия между – часто двусмысленными и сбивающими с толку – именами, используемыми как в электротехнике, так и радиоэлектронике. Мы обсудили разницу между массой, землей и заземлением, и теперь дело за вами – применить эту информацию на практике!
