【實作實驗室】0V與Ground的差別

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。

各種大地(Ground)的符號標示(圖片來源:實作派提供)

(本文轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

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實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。
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