Elektronikte Topraklama

Topraklama terimi, elektronikte çeşitli şeyleri tanımlamak için kullanılır. Örneğin, AC duvar prizlerinden çıkan yeşil tel “toprak” olarak adlandırılır, bir ürünün şasisi “toprak” olarak adlandırılır, bir analog devrenin referans terminalleri “toprak” olarak adlandırılır, bir güç kaynağının negatif terminalleri “toprak” olarak adlandırılır ve iletim hatları içeren bir PCB’nin alt düzlemi de bazen “toprak” olarak adlandırılır. Bunlar oldukça karıştırıcı olabilir.

Tüm bunlar nasıl toprak olabilir? Tabii ki, hepsi toprak değildir. Bazı durumlarda “toprak” terimi yanlış kullanılmaktadır.

Tanımına göre; “toprak“, voltaj ölçümlerinin yapıldığı nokta olarak belirlenmiş sistemdeki tek yerdir. Karışıklığı önlemek için yukarıdaki paragrafta geçen tüm öğelerin başka isimlere ihtiyacı vardır.

Şase Topraklaması

“Şase topraklaması” terimi kullanıldığında, genellikle ürünü besleyen AC prizinden gelen yeşil tel ile bağlanmış bir ürünün kasanın kastedildiği anlaşılır. Bu bağlantı genellikle aşağıdaki sembolle temsil edilir.

“Yeşil tel”in varlığı güvenlik için gereklidir. Bir AC konektöründeki yeşil tel, binanın duvarları boyunca ilerleyen ve yere gömülmüş bir iletken ile sonlanan bir bağlantıdır. Bu bağlantının cihazın “şase”sine ya da kasa kısmına yapılması, AC güç bağlantısının sıcak uçları yanlışlıkla kasayla temas ettiğinde kullanıcıyı elektrik şokundan korumak içindir. Bu bağlantının tek işlevi budur.

Şase topraklaması EMI’yi (elektromanyetik girişim) kontrol altına almada herhangi bir rol oynamaz. Çünkü bu bağlantı EMI için endişe edilen frekanslar olan 30 MHz ila 1 GHz arasında yeterince düşük empedans sergilemez. Hatta yakın bir inceleme ile bu bağlantının birkaç mikro henry’lik parazitik indüktans içerdiğide görülebilir. Bu tür bir parazitik indüktansın, endişe edilen en düşük frekanslarda bile sanal bir açık devre olduğunu ya da yüksek empedansa sahip olduğunu söyleyebiliriz.

Kısaca “Şase topraklaması” terimi genellikle EMI hakkında yapılan tartışmalarda yanlış olarak kullanılır. Genellikle, ürünü çevreleyen kasa kastedilmektedir. Bu kasanın, cihazın iç devrelerinden kaçan EMI’yi toplayan bir kap olması beklenir. Bu tür bir kap, aslında Faraday Kafesi olarak adlandırılır. Faraday kafesi ile “şase topraklaması” arasındaki bir bağlantı, bir kap olarak işlevini yerine getirmesi için gerekli değildir. Bunu şüpheyle karşılayanlar için bir cep telefonunu örnek verebiliriz. Telefon devrelerini çevreleyen bir Faraday Kafesi vardır, EMI standartlarını (CISPRB) geçer ve hiçbir şekilde yeşil tel ile yani şase toprağı ile bağlantılı değildir. Yani faraday kafesi kaplarının şase toprağı ile bağlanması EMI girişimlerini bertaraf etme konusunda bir fayda sağlamaz.

EMI göz önünde bulundurulduğunda, kablosuz çıkış veren ürünlerdeki korumasız sinyal tellerinin Faraday kafesi ile değişmemesi için mantık toprağı ve Faraday kafesi arasında bir bağlantı yapılması yeterlidir, şase toprağına bağlanması gerekmez.

Dijital Topraklama

Dijital topraklama, bir cihazdaki mantık devrelerine güç sağlayan güç kaynağı terminallerinden biridir. Çoğu durumda, bu güç kaynağının negatif terminalidir. ECL mantığında olduğu gibi pozitif terminal de olabilir (ECL’ye yazının sonunda yer verilmiştir). Mantık toprağını temsil etmek için aşağıdaki sembol yaygın olarak kullanılır.

“Mantık Topraklaması”nı temsil etmek için kullanılan sembol mantık güç kaynağının bir terminali ve mantık sinyallerinin mantık seviyelerini ölçmek için referans sağlamak üzere “toprak” olarak adlandırılır. Bir terminalin “toprak” olarak tanımlanmasının tek nedeni budur. Mantık toprağı ile bir ürünün yeşil tel toprağı arasında bir bağlantı yapmak yaygın bir uygulama olmasına rağmen, bunu yapmak gerekli değildir. Eğer yeterli dekuplaj yapılmamışsa mantık kapılarının ortak kullanılan şase topraklaması şebekesindeki parazitik indüktanstan olumsuz etkilenmesi söz konusu olabilir.

EMI göz önünde bulundurulduğunda, kablosuz çıkış veren ürünlerdeki korumasız sinyal tellerinin Faraday kafesi ile değişmemesi için mantık toprağı ve Faraday kafesi arasında bir bağlantı yapılması gerekir.

Analog Topraklama

Analog topraklama, bir cihazdaki analog devrelere güç sağlayan bir güç kaynağı terminalidir ve analog sinyallere referans oluşturmak için kullanılır. Pozitif veya negatif terminal olabilir. Genellikle analog devreler, bir A/D (analogdan dijitale) dönüştürücü ile dijital devrelerle birleştirilir. Bu durumda, her iki devre de aynı toprağı paylaşırlar. Analog topraklama, aşağıda gösterilen sembolle sık ​​sık temsil edilir.

Faraday Kafesleri

EMI (Elektromanyetik Girişim) kapsamı tartışılırken, sıkça şasi toprağı kelimesinin kullanıldığını duymak yaygındır. Şasi, EMI’yi içeren bir bileşen değildir. Enerji yayınlayan devrenin etrafını saran metal bir kap, EMI’ye neden olabilecek enerjiyi önleyen bir kapalı kaptır. Bu kapalı kap, Faraday Kafesi olarak adlandırılır. Çoğu zaman, kart kasasının yan panelleri gibi şasinin bazı parçaları, Faraday Kafesi’nin bir parçasını oluşturur. Belki de bu, şasinin EMI kapsama kabı olarak yanlış şekilde kullanılmasının nedenidir. Gerçekte, tipik bir kart kasası odaklı üründe, Faraday Kafesi, kart kafesinin yanları, takılı modüllerin yüz plakaları, arka plandaki düzlemler ve üst ve altta bulunan EMI sıkı ekranlar gibi altı yüzlü bir yapıdan oluşur. Bu altı yüzlü yapıda EMI’nin ne kadar iyi muhafaza edildiği, altı yüzeyin birbirine ne kadar iyi bağlandığına ve kaç tane sinyal kablosunun bu muhafazayı ihlal ettiğine güçlü şekilde bağlıdır.

Tasarımdaki noktaların Faraday Kafesi potansiyeline bağlı olarak etiketlenmesi için kullanılacak bir sembolün olması, kullanışlı olacaktır. Bu tür bir sembol yaygın kullanımda yoktur. Faraday Kafesi potansiyellerini göstermek için aşağıdaki sembol kullanılabilir.

ECL Mantığı Hakkında

ECL (Emitter-Coupled Logic), yüksek hızlı dijital devrelerin tasarlanmasında kullanılan bir mantık ailesidir. Bu mantık ailesi, özellikle yüksek hızlı ve yüksek performanslı sistemler için tasarlanmıştır.

ECL mantığı, temel olarak birkaç bileşenin bir araya gelmesiyle oluşur. Bu bileşenler arasında PNP transistörler, dirençler, kapasitörler ve diğer bileşenler bulunabilir. Bu bileşenler, özel bir şekilde bağlanarak yüksek hızlı mantık işlemleri gerçekleştirebilir.

ECL mantığı, diğer mantık ailelerinden farklı olarak, mantık seviyeleri arasındaki farkı minimize ederek yüksek hızlı işlemleri gerçekleştirebilir. Bunun nedeni, ECL mantığının, diğer mantık ailelerinde olduğu gibi sıfır ve bir seviyeleri arasında bir gerilim farkı kullanmamasıdır. Bunun yerine, ECL mantığı, iki akım seviyesi kullanarak işlem yapar. Bu akım seviyeleri, “yüksek” ve “düşük” olarak adlandırılır ve birbirleriyle doğrudan ilişkilidir.

ECL mantığı, yüksek hızlı ve yüksek performanslı sistemler için idealdir, ancak daha yüksek güç tüketimine neden olabilir. Bu nedenle, günümüzde daha az yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunun yerine, CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) mantığı gibi daha az güç tüketen mantık aileleri tercih edilmektedir.

Topraklı laboratuvar cihazlarındaki gürültüyü önlemek

Aşağıdaki video’da Gnd’si cihaz şasesine ve şebeke toprağına bağlı cihazlarda oluşan toprak gürültüsüne dikkat çekilmiştir. Gnd’si şasesi ile (dolayısıyla şebeke toprağı) bağlı olan bir osilaskopun probları birleştirildiğinde toprak gürültüsünün ölçüldüğü görülmektedir. Bu gürültü osilaskopun sinyal ölçüm ucu ile şebeke toprağı arasındaki potansiyel farkı göstermektedir. Benzer şekilde şebeke toprağı ile bağlı olan sinyal jeneratörü de şebeke toprağındaki gürültüyü barındırmaktadır. Ölçümlerin doğru olabilmesi için bu gürültünün ortadan kaldırılması gerekmektedir. Video’da 2 yöntemden bahsedilmektedir. İlki cihazların şasesinin şebeke toprağından yalıtılması (USB osilaskop için USB isolater) için izolatör kullanmaktır. İkinci yöntemde ise osilaskopun girişlerinde bir diferansiyel prob kullanmaktır.

Laboratuvar cihazlarını korumak

Bir başka yöntem ise tavsiye edilmemekle birlikte cihazların şasesi ile şebeke toprağını ayırmaktır. Bu durumda elektrik kaçaklarında korunulamayacaktır. Ayrıca 220v’luk bir izolasyon trafosu kullanılarak osilaskop şebekeden yalıtılabilir. Bu yalıtım sayesinde şebeke üzerinde yapılan ölçümlerde yaşanabilecek kazaların önüne geçilebilir. Olası bir kaza durumunu aşağıdaki görsel açıklamaktadır. Eğer devre şasesi (Gnd) şebeke toğrağına bağlı bir osilaskop kullanıyorsanız, yanlışlıkla osilaskopun Gnd probunu şebekenin Faz ucuna dokundurduğunuzda osilaskop büyük zarar görebilecektir.

İzolasyon Trafosu Kullanmak

İzolasyon amacı taşıyan trafolar da şebekede bulunan manyetik gürültülerin yüke aktarılması engellenir. Lineer olmayan yüklerin yaratacağı manyetik kirliliğin de şebekeye yansıması önlenmiş olur.

İzolasyon trafosunun bir diğer kullanım amacı ise elektrik çarpmalarına karşı riski azaltmaktır. İzole trafo yok iken birisi şebekeye dokunduğu zaman, eğer toprak potansiyelindeyse onu elektrik çarpar. Çünkü devre kendini o kişinin üzerinden tamamlar. Fakat şebekede izole trafo varsa kişi şebekeye dokunsa bile referans gerilimi toprak olmayacağı için dokunan kişiyi elektrik çarpmaz.

İzole trafolar elektrik çarpılmalarını azaltır ve sanayi alanında makineye zararın en az seviyeye indirilmesini sağlar. Özellikle UPS çıkış katında oluşabilecek bir kart arızası durumunda yükün zarar görmesini önler. Günümüzde bu trafo kullanımı pek yaygın değildir. Çünkü güç seviyesine göre değişen maliyet hesabı ve oluşabilecek yük kayıpları bu duruma neden olarak gösteriliyor. Tek fazlı sistemlerde şebeke ve yükü yalıtmak için kullanılır.

Topraklamada Kullanılan Y Sınıfı Kondansatörler Hakkında