GND: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 25. Juni 2011, 16:34 Uhr

Bezugspotential von 0 V, auch Ground (GND / steht für Boden)- oder Masse-Potential genannt. Bei den meisten Schaltungen kann man dies mit dem Minuspol der Spannungsquelle gleichsetzen. GND ist oft auch mit dem Gehäuse oder einem Chassis verbunden, was zur Störunterdrückung durch Abschirmung dient.

In Schaltplänen verwendet man oft ein GND-Symbol anstelle einer eingezeichneten GND-Leitung. Da GND sehr oft im Schaltplan vorkommt, möchte man dadurch die Übersicht erhöhen. Man muss sich immer vorstellen, dass alle GND-Symbole durch eine Leitung verbunden sind.

Verwendet eine Schaltung mehrere Spannungsquellen, wie z.B. Motoransteuerungen, so müssen in der Regel alle Spannungsquellen mit dem Minuspol an GND angeschlossen werden, damit alle das gleiche Bezugspotential aufweisen.

Oft verwendetes GND Symbol in Schaltplänen

Beispiel

Massekonzept

1. nicht-sternförmiges Massekonzept (schlecht)

Die Relevanz dieses Themas soll an einem Beispiel erläutert werden.

Beispiel für ein schlechtes Massekonzept

Im Bild ist eine exemplarische, sehr stark vereinfachte, schematische Darstellung der Verdrahtung einer Roboterelektronik gezeigt. Es sei hier in drei Blöcke Mikrocontroller, Sensorik und Motoren aufgeteilt. Es soll nun die Verfälschung von Sensorsignalen durch dieses Massekonzept gezeigt werden. Die 0,1-Ohm Widerstände sind Kabelwiderstände.

Erst einmal hat der Mikrocontroller als Referenz für seinen Analog-Digital-Wandler (hier) stets die Versorgungsspannung (z.B. Akku o.ä.). D.h. 0V wird als Minimum und z.B. 5V als Maximum für Spannungen am Analogeingang gewählt. Die Motoren seien zunächst ausgeschaltet. Dann sind die Zuleitungswiderstände zu den Sensoren quasi vernachlässigbar, da die Sensorik idR. eine geringe Stromaufnahme hat. Der Sensor kann Ausgangsspannungen zwischen 0 und 5 Volt liefern. Soweit kein Problem.

Nun sollen die Motoren angeschaltet werden. Wir nehmen an, die Stromaufnahme aller Motoren zusammen liegt bei 1A. Dann fällt an jedem Widerstand U=R*I=0,1Ohm*1A=0,1V ab.

Der Minusanschluss der Sensorik wird deswegen auf 0,1V gegenüber der Quelle/des Mikrocontrollers angehoben, die positive Versorgung bricht am Sensor um 0,1V ein. Zunächst hört sich das nicht dramatisch an. Allerdings muss man sich klar machen, dass der Sensor (bezogen auf das Nullpotenzial des Mikrocontrollers/der Quelle) nur noch Spannungen zwischen 0,1 und 4,9V ausgeben kann. Angenommen, der Sensor hätte ständig !seinen! Minusanschluss als Signal an den Mikrocontroller weitergegeben, dann hätte der AD-Wandler einen Sprung von 100mV gemessen, obwohl der Sensor stets seine minimale Spannung ausgegeben hat. Es ist also nur aufgrund das falschen Verdrahtungskonzept eine Verfälschung der Messwerte bewirkt worden.

Man sollte sich die Größenordnungen klarmachen: Wenn vom Spannungsbereich des Signals z.B. nur noch 4,8V der 5V ausgenutzt werden, werden damit bereits 4% des Spannungsbereichs "verschenkt".

Angenommen, der AD-Wandler könnte mit 10Bit (1024 Werte) messen, dann bedeutet der 100mV-Sprung aus dem obigen Beispiel einen Sprung von 0 auf den Wert 20 (bzw. vom Wert 1023 auf 1003).

Bei größeren (Motor-)Strömen und Zuleitungswiderständen kann die Änderung der Potenziale noch dramatischer ausfallen.

Siehe auch

• VCC

Weiterführende Links

• Grounding in Mixed Signal Systems. Walt Kester, James Bryant (Analog Devices)