【實作實驗室】0V與Ground的差別

Posted By StrongPiLab on 2 月 2, 2020 in 實作派StrongPiLab, 教學文 | 0 comments

作者：實作派

電壓（Voltage）不是絕對值，而是相對值，完整名稱為「電位差」（Electric Potential Difference），因次它是個差值，必須要有起點與終點才會產生這種有差距的敘述。

0 V 是定義出來的

敘述電壓時，一定要先定義好哪裡是 0 V，其餘端點再以此作為參考電壓。舉例來說，下方的兩個電路完全相同，差別只在於 0 V 要定義在哪裡，如左圖定義黑線為 0 V，那麼紅線就是 110 V（比黑線高的電壓），相反地右圖定義紅線為 0 V，那麼黑線就是 -110 V。

電壓是相對值（圖片來源：實作派提供）

那麼 0 V 到底要定義在哪裡比較好呢？ 0 V 一般會定義在人的手腳容易觸摸到的地方，這是出自安全性的考量，也許你會質疑，同一份迴路難道會只因為 0 V 定義位置不同而有不同的安全性嗎？當然不會，安全與否和人站在哪裡有關係，所以接下來要講你我所站的大地。

大地（Ground）是實體地球

由於所有人都站在地球表面，人與地球是等電位，因此站在地面上的你和我彼此握手，並不會觸電，但如果是下圖左邊的迴路，由於這個迴路飄浮在空中，站在地面上的我們若去觸碰這個迴路，就有可能因為靜電而觸電。

一個懸在空中的金屬系統，它非常有可能累積電荷，在你觸碰的那一瞬間，人身體與地面為達成電荷平衡，就會形成觸電，不過這種觸電方式的時間非常短暫，電荷平衡後，黑色線與大地的電位就一樣了（但在電荷平衡之前，我們無法得知此系統與我們之間有多少電位差）。

左邊系統與大地間的電壓未知；右邊系統的 0 V 與大地同電壓（圖片來源：實作派提供）

如果要掌握電位差，就必須如上圖右，用導線將迴路的黑色線與大地連在一起，以確保兩者的電位是一樣，如此還能將靜電荷排掉，並將大地定義為 0 V。基本上我們並不希望人為的電路系統存在不確定性，因此我們將系統的 0 V 是定義在系統上，大地（Ground）的 0 V 定義在地球上，將兩個系統彼此互相連接，才能說系統的 0 V 是以大地為參考電壓，是安全的。

將大地定義為0V

聰明的你也許會問，一定要將黑色線與大地連接嗎？能否改為紅色線與大地連接，並定義為 0 V？當然可以，這樣的話黑色線就會變成 -110 V。

那為何大家都喜歡把大地定義為 0 V 呢？因為人都是以自我為中心，然後再往外衡量事物，把自己所站的大地定義為 0 V，確實是比較容易理解的做法，而實務上幾乎所有的應用也都將大地定義為 0 V 來分析，若有人不依照這個定義來做事，對其他人來說，就會形成困擾。

前面談到沒有接地引發的靜電，而印象中的靜電不外乎是短暫的電一下，但其實靜電也足以造成潛在的危險與傷害，下面這段影片說明為飛機加油時，需先接地再放入油槍，這是因為飛機表面積大，與空氣摩擦產生累積的靜電量相當可觀（足以電死人），若沒有接地，後果可不堪設想。

在電路裡面通常會把 GND 直接預設為 0 V，但這只表示在這個系統內是如此，也就是這個 GND 只給這個線路作為參考電位 0 V，若這個電路是安裝在 110 V 的火線上，這個電路的 GND 又得往下參考中性線的電壓，因此原先電路內的 GND 就會變成 110 V。

下圖調光電路的虛線方框，對於 TRIAC 來說，它的下方是 GND（下圖沒標示），上方是電源，而這個 GND 也只對 TRIAC 有意義，對於外面的燈泡來說，它可是 110 V，因為燈泡參考的電位是最下面的中性線，而中性線又與地線接在一起（0 V）。因此使用示波器測量時要小心，千萬別看到 GND 就把示波器探棒的地線接在 TRIAC 的 GND（陰極）上，這樣會短路產生火花。

利用 TRIAC 與 DIAC 做成的調光電路（圖片來源：實作派提供）

這樣不是很亂嗎？對，所以有時候畫線路時會用不同名字標示 GND，連符號也不同，這些雖然都是 Ground，但還是有差別，如果亂接的話，電路就會嗡嗡叫喔！下面橫槓的是真實地球大地 Earth Ground，電路板接到機殼的稱為 Chassis Ground，電路板本身的大地則是訊號的參考電位 Signal Ground。