GND / Masa – Elektryczność

Jeżeli dopiero zaczynasz swoją przygodę z konstruowaniem układów, zapewne często spotykasz się z pojęciami dotyczącymi podstawowych zasad elektrotechniki i elektroniki. Często mogą Ci się one wydawać mylące lub niejednoznaczne. W tym artykule przedstawiamy najważniejsze terminy dotyczące opisywania potencjałów czy też napięć w układach elektrycznych i elektronicznych. Omawiamy także kwestie zabezpieczania urządzeń pod względem przeciwporażeniowym oraz zagadnienia wykonywania pomiarów w układach elektronicznych.

Uziemienie i elektryczność

Zapewne studiujesz opisy pracy układów elektronicznych, więc prawdopodobnie znane Ci są określenia: „różnica potencjałów” pomiędzy węzłami danego układu albo pomiędzy punktami obwodu, „napięcie panujące na danym elemencie”, „napięcie w danym punkcie układu” albo „potencjał w danym punkcie układu”. Wszystkie wymienione terminy, choć wydają się zupełnie różne, tak naprawdę sprowadzają się do tego samego zagadnienia. Napięcie elektryczne zawsze występuje pomiędzy dwoma punktami – pod względem fizycznym nie możemy mówić o napięciu w jednym punkcie. Jeżeli nawet opisujemy w ten sposób stan danego układu czy obwodu, to zawsze używamy pewnego skrótu myślowego. Wynika on właśnie z tego, że mówiąc o napięciu w punkcie układu, mówimy w rzeczywistości o napięciu panującym pomiędzy tym punktem a pewnym ustalonym fragmentem układu elektronicznego przyjmowanym za nasz punkt odniesienia. Ten właśnie węzeł, do którego będziemy się odnosili, jest tzw. masą układu.

Napięcie w obwodzie możemy oczywiście mierzyć też pomiędzy określonymi punktami, przy czym żaden z nich nie jest masą. Wtedy mówimy np. o napięciu pomiędzy dwoma punktami układu i wskazujemy konkretnie o jakie miejsca obwodu chodzi. Pamiętaj, że napięcie pomiędzy dwoma punktami układu to nic innego, jak różnica potencjałów pomiędzy tymi miejscami. 

Czasem określamy też napięcie mianem… spadku napięcia. Najczęściej używamy tego określenia, gdy mówimy o napięciu panującym na rezystorze, przez który płynie prąd. Jak wiadomo z prawa Ohma, napięcie na rezystorze jest wprost proporcjonalne do jego rezystancji (czyli oporu elektrycznego) oraz płynącego przezeń prądu. W związku z tym, jeżeli mówimy o spadku napięcia na rezystorze, to mamy na myśli napięcie zmierzone pomiędzy jedną a drugą końcówką elementu. Jak widzisz, tę samą wielkość elektryczną możemy określić już na trzy sposoby: spadek napięcia, różnica potencjałów oraz po prostu: napięcie. Taka różnorodność może być myląca, dlatego warto od razu przyzwyczajać się do wszystkich tych określeń.

Kilka słów o masie

Skąd wzięła się nazwa: masa? Dawne układy elektroniczne (a wcześniej – elektryczne) były montowane bez użycia płytek drukowanych. Wszystkie elementy mocowano na wspólnej metalowej ramie lub płycie. Po części właśnie z tej – dziś już historycznej – płyty i jej dość dużych wymiarów (a dokładniej: sporej masy) wzięło się pojęcie, które w zagranicznej, m.in. anglojęzycznej literaturze, określa się jako chassis. Na schematach stosowany jest także skrót GND (ang. ground, czyli ziemia) – z tego względu pojęcie masy bywa często mylone z pojęciem uziemienia. Od wielu zauważamy w urządzeniach elektronicznych niebezpośrednie połączenie galwaniczne (elektryczne) uziemienia do „rzeczywistej” masy układowej. W związku z tym zwróć uwagę na jedną bardzo istotną kwestię: w zdecydowanej większości spotykanych dzisiaj urządzeń elektronicznych uziemienie nie będzie jednoznaczne z masą. Masa układu elektronicznego, np. ujemny biegun zasilacza, akumulatora lub baterii, najczęściej wcale nie jest połączony z obudową urządzenia. Jak zatem rozróżnić pojęcia masy i uziemienia, tak aby nie powodowały one żadnych nieporozumień?

Otóż, w urządzeniach elektronicznych, z którymi mamy do czynienia na co dzień, masa jest najczęściej połączona z ujemnym biegunem zasilacza, baterii lub akumulatora. Z tego względu, jeżeli rozpatrujemy potencjał panujący w danym punkcie obwodu, mamy tak naprawdę na myśli napięcie zmierzone pomiędzy tym punktem, a właśnie punktem masy, czyli np. ujemnym biegunem zasilacza. Można to sobie łatwo zapamiętać w następujący sposób: czerwony przewód multimetru (woltomierza) podłączamy do punktu, w którym chcemy zmierzyć napięcie, natomiast czarny przewód (czyli przewód odniesienia) podłączamy do masy układu. Naprawdę trudno znaleźć obecnie przypadki układów, w których masa nie jest połączona bezpośrednio z ujemnym biegunem źródła zasilania. Jeżeli potencjał masy na rysunku jest połączony z dodatnim biegunem źródła zasilania, to najprawdopodobniej mamy do czynienia ze schematem ideowym sprzed kilkudziesięciu lat, ponieważ wtedy pojęcie masy traktowano nieco inaczej niż dziś.

Należy podkreślić, że budowa układu bywa bardziej skomplikowana, niż przedstawiliśmy w poprzednim akapicie. Nie zawsze bowiem w urządzeniu mamy do czynienia tylko z jednym napięciem zasilania. Pomijając układy, w których napięć jest kilka – np. 5 V i 3,3 V – w wielu zasilaczach (do tej grupy zaliczają się również komputerowe zasilacze ATX) są wyprowadzone dodatkowo napięcia ujemne względem masy. Co to oznacza? Otóż możemy wyobrazić sobie takie rozwiązanie jako szeregowe połączenie dwóch źródeł napięcia, np. baterii, przy czym jako punkt masy (punkt odniesienia) przyjmujemy miejsce połączenia tych dwóch baterii ze sobą. W takiej konfiguracji wolny biegun jednej z baterii będzie dostarczał nam dodatnie napięcie zasilania, natomiast wolny biegun drugiej baterii – napięcie ujemne. Jeżeli obydwa źródła mają taką samą wartość napięcia, mówimy o tzw. zasilaniu symetrycznym. Jest ono szczególnie chętnie stosowane w układach analogowych, np. wzmacniaczach, czy też niektórych układach pomiarowych. Natomiast jeżeli mamy do czynienia tylko z napięciem dodatnim względem masy, to mówimy o zasilaniu niesymetrycznym. Tak zasilana jest znaczna część współczesnych urządzeń bateryjnych, a także znakomita większość  powszechnych urządzeń sieciowych.

Decyzja o tym, czy układ zasilać ze źródła napięcia symetrycznego czy niesymetrycznego, wynika najczęściej z konkretnych właściwości oczekiwanych od tego układu oraz z jego konstrukcji – przykładowo nie wszystkie układy scalone są w stanie pracować z napięciem niesymetrycznym. Niektóre nadal wymagają stosowania dwóch napięć zasilających o przeciwnych polaryzacjach, chociaż trend obecny na rynku od wielu lat wskazuje na to, że układy wymagające zasilania symetrycznego odchodzą powoli do lamusa. Wiąże się to faktem, że projektowanie układów elektronicznych z wykorzystaniem tylko pojedynczego napięcia zasilania jest o wiele prostsze, ponieważ redukuje nie tylko stopień złożoności układu, ale także koszty i nakład pracy konstruktora. Takie rozwiązanie jest oczywiście okupione pewnymi wadami, ale w tym miejscu nie będziemy się w takie szczegóły zagłębiać. Z tej części powinieneś zapamiętać jedynie, że układy mogą być zasilane napięciem symetrycznym bądź niesymetrycznym, zaś potencjałem referencyjnym, do którego odnosimy wszystkie nasze pomiary napięcia w układzie, jest potencjał masy. Masa jest pojęciem umownym, natomiast najczęściej jest ona tożsama z ujemnym biegunem napięcia zasilania lub punktem podziału napięć symetrycznych.

Masa a uziemienie

Na pewno często spotykasz się także z pojęciem uziemienia. Jak już wspomnieliśmy, w dawnych czasach masa układu była budowana w formie metalowej ramy czy też płyty, która jednocześnie stanowiła element konstrukcyjny utrzymujący całe urządzenie i podtrzymujący jego wszystkie elementy. Dzisiaj natomiast bardzo często mamy do czynienia z nieco innym podejściem – ujemny biegun zasilania, czyli masa układowa, powinien być zupełnie osobnym węzłem, niepołączonym z metalową obudową urządzenia i/lub bolcem uziemiającym. Bolec, który spotykamy w gniazdkach elektrycznych, stanowi ochronę przeciwporażeniową na wypadek, gdyby np. uszkodziła się izolacja. Użytkownik urządzenia jest wówczas chroniony przed porażeniem prądem elektrycznym, które mogłoby zagrażać zdrowiu lub nawet życiu. Mechanizm takiej ochrony jest banalnie prosty – prąd popłynie przez przewód ochronny, czyli uziemiający, bezpośrednio do ziemi – nie zaś przez ciało użytkownika.

Takie rozwiązanie spotkasz np. w zasilaczach laboratoryjnych, które – jak zauważysz w ich najprostszej wersji, czyli w zasilaczach jednokanałowych – mają trzy zaciski. Zacisk czerwony to oczywiście dodatni biegun zasilania (wyjścia zasilającego). Zacisk czarny to ujemny biegun, który w większości przypadków będzie utożsamiany z masą podłączonego do zasilacza układu. Natomiast trzeci zacisk, najczęściej w kolorze zielonym. Jest to rzeczywiste połączenie uziemienia powiązane elektrycznie z obudową, przewodem uziemienia oraz odpowiednim stykiem we wtyczce sieciowej. Takie rozwiązanie zyskuje na znaczeniu nie tylko ze względów bezpieczeństwa, ale także np. z uwagi na doskonałe własności przeciwzakłóceniowe, ponieważ połączenie metalowej obudowy urządzenia do uziemienia sieciowego jest doskonałym sposobem na ekranowanie wnętrza urządzenia przed zakłóceniami elektromagnetycznymi mogącymi przedostawać się doń z otoczenia.

Oczywiście połączenia masy układowej z uziemieniem mogą czasem przyjmować inną postać, natomiast nie będziemy się w tej chwili zagłębiać w szczegóły konstrukcyjne dotyczące wszystkich możliwych wariantów. Możliwości jest wiele, a każdą z nich konstruktor musi dobrze przemyśleć, aby uniknąć zarówno błędów w sztuce konstrukcyjnej, jak i zagrożeń, które mogłyby doprowadzić do porażenia użytkownika prądem elektrycznym w przypadku niewłaściwego użytkowania urządzenia lub w razie jakiejkolwiek awarii. Dlatego też początkujący elektronicy nie powinni zabierać się za samodzielne konstruowanie urządzeń zasilanych z sieci elektrycznej. Natomiast jeżeli nie masz jeszcze doświadczenia w konstrukcji urządzeń, a chcesz (lub musisz) zasilać swoje urządzenie z zasilacza (np. ze względu na duży pobór prądu), to koniecznie rozważ zakup solidnego zasilacza sieciowego, zapewniającego nie tylko odpowiednią wydajność prądową i właściwe napięcie dla Twojego układu, ale także całkowite bezpieczeństwo. Dzisiejsze zasilacze, np. wtyczkowe czy laboratoryjne, są zabezpieczone w taki sposób, aby nawet w przypadku wewnętrznego uszkodzenia zasilacz zapewnił użytkownikowi odpowiednią ochronę. Dlatego też, jeżeli planujesz budowę urządzenia zasilanego z sieci energetycznej, koniecznie wybierz markowy, dobry zasilacz, który pozwoli Ci spać spokojnie, bez obaw o bezpieczeństwo własne czy innych użytkowników urządzenia. Nie warto oszczędzać kilku złotych poprzez zakup taniego zasilacza z nieznanego źródła – bezpieczeństwo jest bowiem najważniejsze, a ceny markowych zasilaczy nie stanowią już dziś przeszkody nawet dla początkujących amatorów elektroniki.

W tym miejscu musimy także wspomnieć, że międzynarodowe normy wymagają, aby przewód uziemiający w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych miał izolację w kolorze żółtozielonym. Dlatego w trójżyłowych kablach sieciowych spotykasz przewody o „klasycznych” kolorach izolacji: brązowym (przewód fazowy), niebieskim (przewód zerowy) oraz żółto-zielonym (uziemienie). Zdecydowanie nie polecamy wykorzystywania przewodów w tych kolorach do wykonywania innych połączeń (nawet niskonapięciowych) w konstruowanych przez Ciebie urządzeniach – wspomniany zestaw barw powinien zawsze jednoznacznie wiązać się z rzeczywistym przeznaczeniem przewodów.

Oznaczenia masy i uziemienia na schemacie

Jeżeli zapoznajesz się ze schematami ideowymi urządzeń elektrycznych czy też elektronicznych, z pewnością spotykasz się z różnymi odmianami oznaczeń linii zasilania. W przypadku masy najczęściej używanym oznaczeniem jest pogrubiona, stosunkowo krótka kreska zakańczająca przewód. Kreskę tę rysujemy zawsze poziomo, dzięki czemu oznaczenia masy rzucają się w oczy i od razu widać, które z elementów są ze sobą połączone. Oczywiście nie musimy dodawać, że wszystkie elementy oznaczone (podłączone) do symbolu masy są w rzeczywistości fizycznie ze sobą połączone. Bardzo istotną kwestią jest odróżnienie połączenia masy od połączenia uziemienia, które – tak jak już wcześniej wspomnieliśmy – stanowi najczęściej zupełnie osobny obwód. Uziemienie oznaczamy często jako trzy kreski o coraz mniejszych długościach, przy czym linia elektryczna jest podłączona do najdłuższej z tych kresek. Na wielu schematach spotykamy też drugi symbol uziemienia, czyli jedną poziomą kreskę z trzema krótkimi, dołączonymi do niej ukośnymi kreskami. Na schematach spotkasz się oczywiście także z innymi oznaczeniami linii zasilania. Najczęściej będą to np. krótkie strzałki z wypisanym obok oznaczeniem napięcia, jakie w tym obwodzie panuje (np. napięcie +5V, -5V lub +3,3V, +12 V itd.).

Praktyczne uwagi dotyczące masy

Jeżeli bierzesz do ręki gotową płytkę drukowaną, np. wymontowaną z komputera, wzmacniacza albo nawet telefonu komórkowego, możesz zauważyć, że oprócz ścieżek łączących poszczególne wyprowadzenia elementów, najczęściej widoczne jest także jedno duże pole miedzi. Oczywiście w zdecydowanej większości płytek wykonywanych przemysłowo pole to jest – podobnie jak cała reszta płytki – pokryte tzw. soldermaską, np. w kolorze zielonym czy niebieskim. Gdy dokładniej przyjrzysz się płytce drukowanej zauważysz jednak, że wolne przestrzenie pomiędzy ścieżkami i elementami stanowią jedno, wielkie, wspólne połączenie. To połączenie w zdecydowanej większości przypadków jest tak naprawdę… masą układu! Oczywiście zdarzają się i tutaj pewne odstępstwa, np. w układach specjalistycznych, gdzie takich pól miedzi (ang. polygon) może być więcej: jedno z nich może być podłączone do masy, natomiast drugie – do napięcia zasilania, np. wyjścia przetwornicy impulsowej. Tego typu „poligony” (pola masy) są szczególnie chętnie stosowane z uwagi na dobre właściwości tłumiące zakłócenia. Jeżeli cała płytka drukowana, oprócz ścieżek i miejsc przeznaczonych na pady lutownicze elementów, jest pokryta solidnym polem masy, to możemy mieć wręcz pewność, że masa ta będzie stanowiła bardzo dobry ekran, zabezpieczający obwód przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (w szczególności przed zakłóceniami indukowanymi przez pole elektryczne). Raz jeszcze podkreślamy, że nie każde pole miedzi jest podłączone do masy! W związku z tym – przy wykonywaniu pomiarów lub podczas modyfikacji dokonywanych w gotowych układach – należy zawsze upewnić się, czy faktycznie mamy do czynienia z polem masy, czy też z jakimś innym połączeniem, które może znajdować się na zupełnie innym potencjale.