電路接地的重要性，減少不必要的地電流和相關(guān)噪聲

大多數(shù)電氣工程師都在早期了解所謂的電路接地的重要性。在許多情況下，無論遇到什么問題，增加接地或改善接地（意味著較低的阻抗）都是一件好事，不會(huì)受到傷害。這就是電路EE在工作和調(diào)試臺(tái)式電路原型等過程中鉆研的內(nèi)容，并且學(xué)會(huì)了在某一點(diǎn)將模擬地連接到數(shù)字地，以最大程度地減少不必要的地電流和相關(guān)噪聲。

在大多數(shù)情況下，這種接地確實(shí)可以提高電路性能，但是正如每位經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師所知道的那樣，每條規(guī)則都有合法的例外，而接地就是其中之一?；靵y的很大一部分來自模棱兩可，而這種草率的用語與那個(gè)聽起來清白的七個(gè)字母的單詞有關(guān)。

為何如此？實(shí)際上，該詞可以指三種類型的電路連接中的任何一種：

電路實(shí)際連接到地球的大地，它充當(dāng)電子的無限源和宿。

通用（也可以稱為信號(hào)地），它在電路中建立一個(gè)0-V點(diǎn)（電路中通常有多個(gè)）。甚至在此詞中使用“地面”一詞通常會(huì)產(chǎn)生很大的誤導(dǎo)。

機(jī)箱接地，它連接電路中所有標(biāo)稱的零伏電位點(diǎn)；它可能已接地，但由于許多設(shè)備（例如大多數(shù)便攜式電池供電設(shè)備）都沒有接地，因此通常無法接地。在此，如果未將地線一詞連接到真實(shí)的地線，則可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。

每個(gè)都有一個(gè)不同的符號(hào)，但是從我見過的大多數(shù)原理圖中您不會(huì)知道它，因?yàn)槌窃韴D草繪器特別小心，否則三角形通常用于所有和所有基礎(chǔ)（圖1）。

圖1不同理由有不同的符號(hào)，但是它們經(jīng)常被濫用。資料來源：Autodesk

與地面混淆的很大一部分是由于與另一個(gè)重要詞：電壓相關(guān)的術(shù)語。當(dāng)有人說“ A點(diǎn)為X伏”時(shí)，該措辭忽略了電壓故事的關(guān)鍵部分。電壓僅存在于兩個(gè)定義的點(diǎn)之間，電壓的更好用語是較舊但仍在使用的短語電勢差。除非您相對于其他點(diǎn)指定A處的電壓，否則說“ A處的電壓”可能表示電路不同部分的電位不同。這尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡娐分械母鞣N接地（接地，底盤和公共（信號(hào)））之間往往存在電位差，并且這些電位差的范圍可以從毫伏到伏特，甚至更大。

當(dāng)然，在存在電位差的地方，有可能產(chǎn)生電流。這是另一個(gè)經(jīng)常因諸如地面和電壓之類的言語松懈而迷失的因素。盡管電位差是一個(gè)問題，但在許多情況下，通常重要的是電流受該電位差流過電路的兩點(diǎn)。這些電流是基于低級(jí)傳感器的設(shè)計(jì)中的噪聲和性能問題的根源，在某些情況下也可能是致命的，這是一系列問題。

如果有充分的理由如此重要，它們怎么可能致命？不是說他們自己很危險(xiǎn)，而是一個(gè)兩部分的問題?？紤]帶有金屬外殼的醫(yī)療儀器，該金屬外殼為了安全起見已接地，因此由于內(nèi)部故障而導(dǎo)致短路到外殼的線路電平交流電壓的電流將直接流向該接地，而不是通過用戶（或患者），并且然后返回地面。

似乎是個(gè)好主意，除非不是。發(fā)生壞事，一種可能是由于電線或螺絲松動(dòng)或腐蝕（安全，發(fā)生）導(dǎo)致安全接地故障，或者三線AC插頭接地不良或接地不良或插座接線很常見（圖2）。

圖2標(biāo)準(zhǔn)的三線AC插頭具有電源（火線），零線和地線連接；它們的顏色可能因國家/地區(qū)而異，并且接地線通常被綠色絕緣層覆蓋，甚至裸露。在電源線，插頭，插座或主電源中通常不存在接地連接或斷開連接。資料來源：流明學(xué)習(xí)

然后，箱子確實(shí)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，任何人都在觸摸它……好吧，您知道電流從交流線路流經(jīng)對象到地面時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況（圖3）。這里不是致命的電壓，而是驅(qū)動(dòng)身體的電壓驅(qū)動(dòng)電流–通過皮膚接觸只需幾毫安的電流就可以通過胸部，從而引起心臟纖顫（它們也被稱為電位差“電動(dòng)勢”，有充分的理由）。

圖3絕緣層破損會(huì)使帶電/熱電線直接與設(shè)備的金屬外殼接觸，并且接地?cái)嚅_時(shí)，人員會(huì)受到嚴(yán)重電擊-但是，在缺少接地連接的情況下，設(shè)備仍可以正常工作。資料來源：流明學(xué)習(xí)

在這種情況下，將機(jī)箱不接地實(shí)際上可以避免電擊危險(xiǎn)，并且通常使用隔離變壓器來確保這種非連接（圖4）。該變壓器的次級(jí)側(cè)有交流線和交流中線，但那里沒有接地。因此，沒有從熱外殼到用戶的電流流回初級(jí)側(cè)接地的電流路徑。

圖4隔離變壓器在初級(jí)側(cè)接地線和次級(jí)側(cè)之間沒有歐姆（電流）路徑，從而阻止了完整的電路，從而阻止了電流通過用戶并流回大地。資料來源：流明學(xué)習(xí)

在醫(yī)療設(shè)備中通常需要使用隔離變壓器，因?yàn)槿绻颊唧w內(nèi)有探頭且接觸阻抗較低，則電擊風(fēng)險(xiǎn)特別高。流經(jīng)胸部內(nèi)部的電流只有幾微安，可能會(huì)致命。這篇文章末尾的法規(guī)參考提供了任務(wù)和詳細(xì)信息，但是，當(dāng)然很難解讀它們。

隔離的需求不僅限于交流線路設(shè)備或有電擊危險(xiǎn)的情況。有許多傳感器與地面沒有固有的連接，但是在使用中可以連接到地面，例如，傳感器附在金屬框架上。這種接地連接可能會(huì)使模擬前端（AFE）的電路短路，因此使用“浮動(dòng)”非接地AFE，并通過變壓器，光電耦合器，電容耦合，RF鏈路或其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)隔離。

在使電路正常工作的項(xiàng)目壓力下，通常應(yīng)該退后一步并提出以下問題：

接地之間以及電路功能之間的電位差在哪里以及什么地方？

這些差異將流過多少電流，將會(huì)產(chǎn)生什么影響？

接地（如果有），機(jī)架和信號(hào)（公用）地之間的連接是什么？（請注意，許多電路實(shí)際上具有多個(gè)信號(hào)地。）

好消息和壞消息是，關(guān)于接地的所有類型和方面，都有大量可靠的資料可供使用，涵蓋基礎(chǔ)教程，案例研究以及實(shí)用的“如何做到”的見解，涉及電池供電的敏感傳感器的幾乎所有方面驅(qū)動(dòng)到醫(yī)療設(shè)備，大型建筑物和天線塔的電路。

您是否曾因沒有地面而遇到安全或性能問題？從地面上怎么樣？您是否曾經(jīng)通過添加或連接地面或移除地面來解決問題？
編輯：hfy