Earth Ground

그라운드란?

  1. earth를 통하는 전류 리턴 경로

  2. 에너지 소스로 전류를 돌려보내는 경로의 한 종류

                         

                        earth ground 심볼

Earth 그라운드 개념

전기 시스템의 초기 개발자들은 땅이 전기적으로 중립체(neutral body)라는 것을 이론화 했다. 주워진 시간에 땅을 통해 분포하는 양과 음의 전하의 수는 같다. 전기적으로 중립이기 때문에 0 전위로 생각될 수 있고 전압 측정에서 편한 기준으로 삼았다. 전압기가 단지 두 점간의 전위 차이를  읽는다는 것을 알면, 절대 측정은 땅을 기준으로 할 수 있다.

National Electrical Code의 정의에 의하면, 진짜 earth ground는 최소 8피트(2.4m)의 깊이로 땅에 도체 파이프나 막대기를 물리적으로 구성해야 한다. 아래 그림은 이 개념을 보여주며, 여기서 땅은 발전 시스템의 최저 전위 점으로 도전 전류 리턴 경로로 사용된다.

     

                       그라운드를 전류 리턴 경로로 사용하는 전송 시스템

전형적인 전원 공급 장치 그라운딩 에러

아래 그림은 전공 공급 장치의 전면 패널이다. 전원 공급 장치는 가변 전원 배터리로 표현되었다. +, -, ground 3개의 단자가 있다. Ground 단자는 장치의 케이스에 연결되어 있고, 장치는 실제 earth에 연결되어야 한다. + 단자와 ground 단자는 에너지 소스(배터리)에 대한 전류 리턴 경로를 완성하지 못해서 전류가 흐를 수 없다.

                 

리턴 경로를 완성하기 위해서 + 단자와 - 단자가 사용되어야 한다.

- 단자를 리턴으로 사용하는 + 전압 공급 장치와 + 단자를 리턴으로 사용하는 - 전압 공급기를 연결해서 부하 전류에 대한 공통 리턴 경로를 형성할 수 있다.

               

이 공통 리턴이 회로도에서 그라운드로 보일지라도, 그것은 공통, 부동, 또는 리턴 이다.

 

전류 리턴 경로 심볼의 예

에너지 소스로의 전류 리턴 경로가 꼭 earth ground일 필요는 없다. 그것은 단순한 와이어, 금속 샤시, 인클로저 등이 될 수 있다. 리턴은 모든 경우에 있어서 최저 전위 점이기 때문에, 땅은 회로 전압 측정에 있어서 편한 기준이다.

                   

Earth 그라운드를 사용해서 쇼크 위험 보호

높은 전압이 요구되고, 샤시 그라운드나 메탈 프레임이 리턴 경로로  사용되는 경우, 그라운드가 소홀하면 위험한 조건이 만들어질 수 있다. 부하 회로가 메탈 인클로저를 샤시 그라운드로 사용할 때, 인클로저와 earth 그라운드 사이에 높은 전압을 초래하는 저항성 누설 경로가 존재할 수 있다. 무심코 earth-ground된 물체인 수도관과 인클로저를 동시에 만지면, 심각한 쇼크를 유발한다. 그런 조건이 아래에 있다.

     

                       누설 경로에 의해 쇼크 위험이 만들어진다

아래 그림에서 earth 그라운드가 부하 인클로저에 연결되어, 수도관과 인클로저가 같은 전위를 갖게해서 쇼크 위험을 없앤다. 유사한 위험 조건이 가전 제품의 설치에서도 나타날 수 있다. 이것 때문에 세탁기나 건조기 같은 가전제품 프레임이 earth 그라운드에 연결되어야 한다.

        

                   쇼크 위험을 없애기 위해 earth ground를 사용한다

그라운딩 고려사항

가장 공통된 노이즈 문제는 좋은 그라운딩 실현이 부족한 큰 규모의 전자 시스템에서 나타난다.

그라운드 연결에 몇 개의 지점이 사용되면, 지점 간의 전위 차가 전압을 읽는 것에 에러를 일으키는 "그라운드 루프" 문제를 유발할 수 있다. 아래 예에서는 2개의 분리된 새시 그라운드가 사용되었다. Vg는 에러 전압을 나타낸다.

          

                                        그라운드 루프 생성

그라운드 루프가 존재하거나 그라운드가 빠진 것에 대해 공통된 신호는 회로에 유도된 파워 라인(60Hz) 노이즈를 나타낸다. 복잡한 전자 시스템에서 그라운드 루프를 찾고 제거하는 것은 어렵고 좌절할만한 일이다. 이것은 많은 경험을 통해 얻어지는 전문적인 것을 요구한다. 이것이 많은 경우에 그라운딩을 "흑마술"이라고 부르는 이유이다.

기본 그라운딩 연습

  a. 회로 그라운딩

이상적인 "단일 점 그라운드" 개념은 그라운드 루프가 만들어지지 않게 보증한다.

                  

                                단일 점 그라운드 개념

  b. 그라운드 버스

단일 점 그라운드에 대한 적절한 대체로 버스 바를 사용할 수 있다. 버스 바는 전원 공급 장치에서 부하로 최대 전류를 전달할 수 있는 저항이 낮은 두꺼운 와이어나 구리이다. 버스 바는 회로를 따라서 확장되어 다양한 지점에서 편리하게 연결될 수 있다.

                  

                                    버스 바 리턴

  c. 디지털/아날로그 그라운드

분리돼어야 하고 한 점에서만 연결한다.