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  1. 2019.11.24 Earth Ground, Chassis Ground, Signal Ground
  2. 2016.08.15 Earth Ground

Earth Ground, Chassis Ground, Signal Ground

전장 설계 그라운드 기초 2019. 11. 24. 09:04

아날로그 설계에서 신호와 그라운드의 관계는 설계의 기본(또는 근본)이며, 디지털 설계에서도 문제를 일으킬 수 있다. 그러나 개념으로서 "그라운드"는 샤시(원래는 발음은 채시라고 하는 것이 가까우나 모두가 샤시라고 부르니 샤시라고 한다) 그라운드, 신호 그라운드, 접지(earth) 그라운드 등 세 가지 다른 상황과 관련하여 혼동 될 수 있다. 세 가지 모두 이론적으로 0 전압에 연결 되지만 내용이 다르다샤시 그라운드는 장치(device)용 이고, 신호 그라운드는 장치 내 저전압 신호용 이고, 접지 그라운드는 전원 시스템용 이다. 

 0 전압은 이론적인 것이다. 임피던스가 0인 도체만 전압이 0 이다. 실제로 그라운드 면이나 레일은 무시할만한 수준에서 다양한 전압을 갖는다. 일반적이지 않지만 0 전압이 전혀 0에 가깝지 않은 경우가 있다. 이 경우는 대부분 회로나 장치가 높은 전류량으로 작동하거나 그라운드 도체의 임피던스가 높은 경우일 가능성이 크다. 옴의 법칙은 저항이 있는 물질을 통한 전류의 흐름은 0이 아닌 전압을 가짐을 말해준다. 와이어는 실제 환경에서 저항이 있으며 리턴 경로(그라운드)가 리턴 레일(그라운드 전압 레벨)에 영향을 준다배선의 저항이 한 장치의 리턴 경로에 직렬로 추가되고 다른 장치에는 아니면 그 장치에 대해서 다른 전압이 생성된다.

V = I R

 샤시 그라운드는 전기 장치의 금속 인클로저에 연결되는 그라운드 집합 지점이다. 샤시(또는 프레임) 그라운드는 쉴딩과 감전 방지를 위해 사용될 수 있다. 메인 접지(earth) 그라운드와 (이론적으로) 0V인 전원 레일은 함께 묶여 한 지점에서 샤시에 연결된다. 샤시 그라운드는 일반적으로 한 지점에서만 이루어진다. 이것은 가능하지만 바람직하지 않은 수단을 통한 리턴 전류 경로를 방지하고 샤시를 통해 전류가 순환하는 것을 막는다. 샤시를 통해 순환하는 전류는 "그라운드 루프"를 유발할 수 있다. 그러나 샤시가 한 지점에서만 접지되면 전류가 샤시를 통해 흐를 수 없다. EMF 노이즈를 유발하는 그라운드 루프는 계측이나 오디오처럼 노이즈에 민감한 응용 분야에서 특히  문제가 된다.

 두 개 이상의 장치를 연결할 때도 종종 그라운드 루프가 발생한다. 두 개의 그라운드가 정확하게 같은 전위가 아니기 때문에 전류가 흐른다. 매우 작은 전압이 발생해도 한 장치의 그라운드에서 다른 장치로 흐르게 되고 다시 처음 장치로 전력 분배 네트워크를 통해 제공되는 다른 그라운드를 통해 돌아 온다. 루프 그라운드의 임피던스는 수 옴의 일부로 아주 작은 부분일찌라도 노이즈 및 간섭을 일으키기에 충분하다. 그라운드 루프에 대한 일반적인 해결책은 별(star) 모양으로 분포된 그라운드에서 임의의 가장 낮은 전위 지점을 접지 연결 점으로 선택하는 것이다. 스타 분배에서 상호 연결된 모든 구성 요소는 그라운드에서 바깥쪽으로 방사 패턴으로 연결된다. 스타 분배를 신중히 실행하면 스타에 그라운드된 장비 간의 신호 배선이 거의 0 전위가 되어 그라운드 루프를 피할 수 있다.

 신호 그라운드는 신호가 측정되는 기준점 이다. 주워진 회로에 둘 이상의 그라운드가 있을 수 있다. 깨끗한 그라운드 또는 주입된 노이즈가 없는 그라운드 연결은 매우 작은 전압 레벨을 감지해야 하는 전기 장비에 필수적이다. 전기가 그라운드로 흐르는 경로가 여러 개 인 경우, 중복 그라운드 경로는 간섭 전류를 포착하여 전류를 전압 변동으로 변환한다. 그러면 시스템 그라운드 기준은 더 이상 안정적인 전위가 아니게 되고 노이즈가 신호의 일부가 된다. 

 신호 전압은 메인(예들 들어, AC 220V 단상) 전압보다 훨씬 작다. 상식적으로 신호 그라운드는 샤시 또는 전원(메인) 그라운드와 분리되어 있다. 신호가 주입된 노이즈보다 훨씬 큰 경우 그라운드 주입 간섭을 무시할 수 있다. 

 접지 그라운드는 안전상의 이유로 지표면으로 유도된 접지봉을 사용하는 관행을 계속 사용한다. 접지 그라운드의 일반적인 예는 가정용 전기 시스템이다. 전류는 주 회로 패널을 떠나 Hot 와이어를 통해 리셉터클(흔히 말하는 콘센트)로 흘러 가전 제품에서 소비된다(실행 가능한 경로를 통해 우회할 수도 있다). 그리고 neutral 와이어를 통해 다시 패널로 리턴 경로가 제공된다. 그라운딩은 세번째 와이어를 제공해서 회로를 완성할 수 없는 전류에 대한 경로를 제공한다.

 예를들어 노출된 도체 와이어는 그라운드 와이어가 아닌 경우 그라운드 경로에서 사람의 신체를 통해 전류가 흐를 수 있는 상황을 만들 수 있다. 그라운드 와이어는 전류를 안전하게 접지 그라운드로 소모하게 하고 과도한 전류로 인해 퓨즈를 트립한다. 고전압과 관련된 경우 접지 그라운드를 갖는 것은 특히 중요하다. 전기 장비에서 라이브 전압이 전도 새시와 접촉하는 고장이 발생한 경우, 시스템 내부 격리로 인해 장비가 계속 작동할 수 있지만 새시에 처음 접촉하는 사람은 그라운드로 가는 경로가 되어 심각한 부상이나 사망에 이를 수 있다. 퓨즈가 라이브 전압원 경로에 있더라도 퓨즈가 회로를 차단하고 개방하는 데 여전히 마이크로 또는 밀리 초가 걸린다. 따라서 접지 그라운드 및 고장 차단기는 대부분 고전압이 작동하는 곳에서 사용된다.

 그라운드 개념은 전기 개념과 실제에서 기본이라는 것이 분명하다. 매우 높은 전압 대비 작은 신호를 처리할 때 그 결과는 매우 다양하다. 그라운드 루프는 그라운딩이 경로를 만드는 어떠한 상황에서도 역할을 할 수 있다.



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송전  (0) 2019.06.16
배전  (0) 2019.06.15
:

Earth Ground

원 포인트 레슨 2016. 8. 15. 22:00

그라운드란?

  1. earth 통하는 전류 리턴 경로

  2. 에너지 소스로 전류를 돌려보내는 경로의 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 있고 전압 측정에서 편한 기준으로 삼았다. 전압기가 단지 점간의 전위 차이를  읽는다는 것을 알면, 절대 측정은 땅을 기준으로 있다.

National Electrical Code 정의에 의하면, 진짜 earth ground 최소 8피트(2.4m) 깊이로 땅에 도체 파이프나 막대기를 물리적으로 구성해야 한다. 아래 그림은 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 earth 연결되어야 한다. + 단자와 ground 단자는 에너지 소스(배터리) 대한 전류 리턴 경로를 완성하지 못해서 전류가 흐를 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 있다.

               

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

 

전류 리턴 경로 심볼의

에너지 소스로의 전류 리턴 경로가 earth ground 필요는 없다. 그것은 단순한 와이어, 금속 샤시, 인클로저 등이 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 있다. 부하 회로가 메탈 인클로저를 샤시 그라운드로 사용할 , 인클로저와 earth 그라운드 사이에 높은 전압을 초래하는 저항성 누설 경로가 존재할 있다. 무심코 earth-ground 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 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 규모의 전자 시스템에서 나타난다.

그라운드 연결에 개의 지점이 사용되면, 지점 간의 전위 차가 전압을 읽는 것에 에러를 일으키는 "그라운드 루프" 문제를 유발할 있다. 아래 예에서는 2개의 분리된 새시 그라운드가 사용되었다. Vg 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 그라운드" 개념은 그라운드 루프가 만들어지지 않게 보증한다.

                  

                                단일 점 그라운드 개념


  b. 그라운드 버스

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

                  

                                    버스 바 리턴


  c. 디지털/아날로그 그라운드

분리돼어야 하고 점에서만 연결한다.



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