电路中的 GND：GND 连接的功能和安全措施

电路中的 GND：GND 连接的功能和安全措施

在电子和电气工程中，GND（地）是一个核心概念，它不仅关系到电路的正常运行，还直接影响到设备的安全性和可靠性。本文将深入探讨GND的定义、作用、不同类型以及如何正确使用和维护，帮助读者全面理解这一关键概念。

什么是电路内的 GND？

GND 在电路内通常称为地。在电子学中，它是信号的参考点，允许电流返回到源头，从而使电路完整。它是电流通过的常见返回路径。该参考点的电位为零伏，使其成为测量电路内连接的其他部件电压的参考。

电路中的 GND 与一般接地有何不同

电路中的 GND 是指接地作为测量电路范围内其他电压的参考点的作用。一般接地是指一个更广泛的概念，用于通过将电气系统连接到地面或其他设备来确保安全措施导电的发生短路或危险电压积聚时，接地可作为不必要的电压消散的安全路径或导电体。

GND 在电路中的作用

电路中的接地有许多用途，它在电子器件中起着多种作用。它可以用作参考电压，使其他组件的电压水平保持一致和可靠。电路中的接地还可作为电流从电源流经不同组件的返回路径，使电路完成，然后通过接地返回电源。如果出现电气故障等问题，电路中的 GND 可以帮助防止电击和损坏。电路中的 GND 通过提供通向地面的路径，帮助消散积聚的危险电压。我们还可以说，电路中的 GND 通过为信号提供公共返回路径，有助于降低噪音。另一个功能包括通过作为一致的电压源 (0v) 来稳定电压水平，通过这种稳定，我们可以预测其他组件的电压水平。最后，电路中的 GND 通过电磁兼容性 (EMC)。

GND 的用途是什么？

电路中GND的主要用途：

1. 作为测量电压的公共参考点，这在电气工程中至关重要。
2. 为电流提供返回路径，这有助于稳定电压水平并减少电气噪声。

GND 的工作原理

GND 或接地的工作原理是指电气或电子电路中所有电压的稳定和参考点的建立。这个定义可能看起来简单易懂，但是，理解 GND 接地功能的细分和区别可能比我们想象的要复杂得多。虽然在电子学中我们简单地称之为 GND，但在复杂的电路设计过程中应该有所区别。忽视这些过程可能会导致某些操作问题。以下是示例：

信号串扰

信号相声顾名思义，串扰是指信号之间的一种现象，即一条电缆上传输的信号被另一条靠近的电缆干扰。这是由于 EMI 导致的通道间不必要的信号传输。这两条电缆中有我们称之为“干扰源”和“受害者”的东西。干扰源导致非预期信号出现在另一个电路或通道中，通常称为受害者。当 GND 设计不够复杂时，就会发生这种现象；一个例子是，当不同功能之间的地面直接连接时，它会导致高功率通道影响低功率通道的参考点。结果，产生了串扰。

信号精度

信号精度是指传输或传送的信号与原始信号的相似度。它是电路的主要指标。信号精度是设备忠实地指定充信号的准确性。更高的信号精度意味着信号可以完全信任，因为它代表了原始信息。这是在用作通信工具、ADV 系统和其他测量系统的电子设备中提供可靠和精确的数据传输的关键方面。

EMC 实验

EMC 实验又称电磁兼容测试，是测量设备在电磁环境中不受电磁干扰的情况下以最高可靠性运行的能力的过程。EMC 测量的关键方面是确保设备不会通过发射过多的电磁噪声干扰其他设备，以及设备在受到其他设备的其他电磁干扰时具有免疫力。信号的强度和强度对其 EMC 兼容性有很大影响。强信号 GND 和弱信号 GND 如果连接到各种电路的 GND 可能会产生干扰，这可能导致弱信号成为强电磁干扰源，使 EMC 测试更加困难。

电路可靠性

电路可靠性指的是电子电路随时间的功能性、耐用性和一致性。有许多因素可以衡量电路的可靠性。这些变量包括：耐用性，即电路承受环境变化的能力。我们还应该考虑电路的组件；电路中每个元件的损坏都可能影响其整体性能。一致性也是对电路可靠性有很大影响的一个因素，我们可以通过测试电路并考虑电路的故障率来衡量这一点。GND 连接的独立性也会影响电路的可靠性。如果各种电路系统之间存在多个连接，则该电路运行的独立性越低。它可能在电路之间产生潜在干扰，使每个电路的可靠性变得脆弱。

电路中有哪些不同类型的 GND？

GND 也称为接地电路，可以有多种类型，具有不同的功能。以下是我们将要讨论的接地类型：

大地

通俗地说，地球的地线顾名思义就是接地。它是电气和物理上与地球连接的 GND。电气工程师通常使用铜或铝（导电材料）管。根据国家电气规范 (NEC)，通过将导电管打入地下（最小深度为 8 英尺）即可实现真正的接地。使用这种连接，工程师可以为电气系统获得稳定的参考点。这还可以确保人员免受设备故障和设备故障（例如雷击和短路）的影响，因为地球可以吸收不必要的电压和噪音。这种 GND 很简单，可以提高电子系统的性能和可靠性。

大地

底盘接地

安全性是选择电子设备外壳的首要考虑因素，因为它将识别设备的电气点参考。这就是这种接地方法的名称的由来。底盘接地是将电子设备的地线连接到其金属外壳的过程。此 GND 很重要，因为它具有导电和确保设备用户安全的双重目的。它为危险电压提供了安全路径，以便在发生短路等事故时增强安全路径。这种外壳还有助于屏蔽防止设备接收和发射电磁干扰，确保设备中敏感元件的安全。机箱 GND 还有助于通过为设备内的电路提供一致的参考点来保持电压水平的一致性。

底盘接地

信号地

对于电子产品来说，一致性至关重要，因此，信号接地（内置于设备电路中的 GND）可提供公共参考点。这通常通过接地平面或接地片来实现。印刷电路板（PCB）。这提供了均匀的电压，有利于保持信号完整性。它还提供了到电源的低电阻返回路径。鉴于这些特性，信号接地通过降低噪声和避免可能降低电路性能的接地环路来保持信号完整性。将所有组件的接地点连接到一个平面上可确保信号的异步分配，从而提高电子设备的整体性能和可靠性。

信号地

模拟和数字接地

数字和模拟电路都可以在内部产生尖峰变化电路板.数字电路数字电路在信号变化时会产生电流尖峰，而模拟电路则因负载波动而产生尖峰。需要适当的接地来将“噪声较大”的数字电流与“噪声较小”的模拟电流分开。这将防止噪声干扰电路中的敏感信号。模拟地 (AGND) 通常用于模拟电路中，以屏蔽附近电路的高电流干扰。这有助于模拟信号的准确性和完整性。数字地 (DGND) 通常接地在数字电路上，它降低了从数字“0”到“1”位置转换之间的电磁货币 (EMC) 辐射。这有助于分离数字电路以避开干扰。使用“星型”接地等几种技术可能有效，但也非常复杂。它是所有电压都以单个 GND 点为参考点的地方。另一种更简单的技术是采用设计良好的 PCB 布局，该布局具有单个地平面。这将更有效地管理回流。它还减少了数字和模拟地之间必要的物理划分。

图 1. 模拟和数字接地，图 2. 星型接地

为什么 GND（接地）对电路很重要

电路中设计良好的接地 (GND) 系统可确保电子电路的稳定性、可靠性、安全性和有效运行。如果没有接地或 GND，电路中所有电压就没有参考点。GND 的 0V 一致性可确保信号测量准确性。接地 (GND) 还对于确保用户安全至关重要，因为在发生短路等意外故障时，接地可提供一条允许不需要的危险电流分散的路径。它对于通过减少噪音和干扰来保持信号稳定性也很重要。它还有助于管理电磁干扰 (EMI)，使设备符合 EMC 法规。简而言之，它可以降低电磁环境中其他电子设备受到干扰的风险。

您是否需要电路中的 GND？

答案是肯定的，每个电路都需要一条返回电源的路径。如上所述，电路中的 GND 对于电子设备中电路的整体性能至关重要。它可作为所有被测电压的参考点，还提供电流返回路径，使电流在电路中流动，回到电源，从而使电路流动完整。由于它能够稳定电路的整体运行，因此对于信号完整性、稳定性和降噪也是必要的。但是，有些情况，例如“电池供电的电子设备”，不需要通过地球的返回通道。我们还可以包含底盘或金属外壳用于接地，这对于环境安全来说不是必需的，除非导电的材料。我们只是给他们电气工程师或设计师的名字，让他们确定所需的正确接地。如果没有适当的接地，就会出现电气故障，例如短路或电击，这对设备及其用户来说可能是危险的。

为什么 GND 电气被视为安全功能？

让我们简单来说，接地 (GND) 是一种安全功能，因为它能够为可能导致设备损坏或电击的故障电流提供路径。更具体地说，以下是它被视为安全功能的原因：

1. 故障保护 - 电气设备不可避免地会产生对用户造成危险的电流。如果发生故障，GND 会为这些有害电流提供消散的安全路径。
2. 电压稳定 - GND 有助于保持电气系统或电路中的电压水平稳定。保持电压水平稳定有助于降低触电的可能性。
3. 过压保护 - 在某些情况下，可能会发生过压，例如雷击，从而产生大量不必要的能量。 GND 确保这些有害电能消散到地面。
4. 设备保护——接地有助于屏蔽因静电放电、电气故障和干扰而导致的敏感电子设备。

每个电路都需要接地吗？

并非所有电路都需要传统的接地连接。从某种意义上说，它需要一个参考点才能正常运行。然而，如今大多数电路都需要接地。接地因电路的用途和设计而异，例如单电源电路、电池供电电路、差分电路、隔离系统和专用应用。虽然传统上并非每个电路都需要接地，但我们仍然可以在电路中看到一些可以被视为接地的参考点。

地线应该接在哪里？

接地位置取决于电路的设计方式。接地布线需要两个变量，即接地（通常是接地棒）和要供电的电气系统。简而言之，接地连接因电路中的系统类型而异。

电路中的任何地方都可以接地吗？

接地可以放置在电路的任何地方。但是，为了电路和设备的最佳性能，需要正确放置接地。电路的设计和用途对其放置有很大影响。正确放置接地可确保设备稳定运行、准确测量、减少干扰、最小化噪音，当然还有安全性。

电路中地线应该放在哪里？

如上所述，为了正确放置接地，我们应该考虑不同类型的电路。这些如下：

1. 单电源电路——该电路的关键词是“公共”。在该电路中，地线应连接到电源的负极，从而为电压测量提供公共参考，并为电流提供返回路径。
2. 交流电源系统 - 通常，此电路中的接地是大地。然后将其连接到电子设备的金属底盘，形成到中性线的低电阻路径，以确保用户的安全。
3. 电池供电电路 - 该电路非常简单，因为地线连接到电池或电源的负极。
4. 混合信号电路- 在这种电路中，接地位于单独的接地平面上，这取决于模拟部分和数字部分。这样做是为了减少电路内的干扰。然而，它们仍然在靠近电源的单点连接。
5. 高频电路 - 接地通常位于单点接地或精心设计的接地平面上。
6. 底座接地——采用金属外壳或底盘将地面直接连接到大地。

金属外壳中的底盘接地

常见的 GND 电路问题

如果您是电子学的初学者，接地错误是可以理解的。常见的错误例如将正极和接地端子连接起来，这种连接不允许电流返回电源，从而使电流循环不完整，导致电路中的电流为零。其他一些相关问题是接地环路，这是当初学者创建多个接地路径时形成的环路，这些环路会产生不必要的噪音和干扰。另一个问题是接地差异，它可能导致行为错误和电路中的信号问题。在某些敏感电路中，如果电路中的接地位置不当，信号完整性可能会成为问题。就 PCB 而言，设计不良的接地层也会导致电磁干扰和信号衰减等错误。

如何解决 GND 问题？

有许多方法可以解决 GND 问题。以下是一些帮助您认识和修复这些错误的提示：

1. 尝试检查是否存在需要拧紧和清洁的腐蚀接地连接。
2. 您将需要一个称为“万用表”的工具。此工具将帮助您检查接地线与接地点之间是否存在连续连接。
3. 接地环路检测，检查接地环路之间是否存在较大差异电压接地点。电压差异会导致接地问题。
4. 电压测量：测量地线和中性线之间的电压。这将帮助您通过确定地线和中性线之间是否存在高压差来指出接地问题
5. 检查电线，电线的尺寸对电路中的电流有很大影响。如果不注意观察，会导致设备过热和其他接地问题。
6. 需要进行阻抗测试来检查接地系统是否存在高阻抗。可使用阻抗测试仪等工具。
7. 如果您怀疑设备存在接地问题，则应将其隔离并单独进行测试。这将帮助您确定接地问题的来源。

电压测量的参考点

我们通常将 0V 视为接地的参考点。直流电路选择 0V（0 电压）作为其电位参考点。必须确保其他组件的电压测量处于适当水平，并能在电路中和谐地工作。这应该是一致的，因为它决定了其他电压并可以区分其他点。

电流返回路径

电流的返回路径就像是电流返回电源的一条路。它是电流流动所需的一个循环。例如，在传统的直流 (DC) 电路中，电流从正极电源流出，流经电路中的所有元件，然后回到负极，这表示电路已完成。没有它，电路将是不完整的，就像一条通往死胡同的单行道。

安全机制

在电气系统领域，GND 充当保护器，保护用户和设备免受电气故障造成的潜在危险。本质上，（GND）接地提供了一条电阻最小的接地路径。在发生短路或任何电气紧急情况时，GND 有助于将过量电流从敏感组件和当前与其物理接触的用户转移开。分析表明，正确接地将大大降低触电危险。这就是国家电气规范 (NEC) 要求正确接地的原因。通过遵守这些接地标准，我们为每个人创造了更安全的电气环境。GND 充当沉默的哨兵，不断监控系统是否存在潜在故障，并随时准备在必要时进行干预。它大大减少了商业和住宅环境中可能发生的任何电气危险，在我们现代的电力驱动世界中至关重要。

稳定性和降噪性

GND 有助于稳定电压水平。它还有助于减少电磁干扰产生的噪声（EMI) 和射频干扰（RFI)。

如何选择合适的GND？

在电路上选择合适的 GND 可能非常棘手。在为电路选择最兼容的接地 (GND) 时，我们应该注意一些注意事项。首先，我们应该确定电路的类型。有几种电路类型，例如直流电路、交流电源系统、电池供电电路和混合信号电路。确保接地是电压测量的稳定参考，它应该具有用于 电流返回的低电阻路径，并通过交流 (AC) 系统连接到地面。考虑到信号完整性也是必须的，我们应该使用专用信号接地来降低噪音和保证信号完整性。使用适当的接地技术在选择合适的 GND 方面也起着重要作用。这包括 PCB 设计和为连接到地面的设备选择合适的金属外壳。

常见问题

常见问题 – 电路中的 GND

为什么 GND（接地）对电路很重要

接地对于电路来说很重要，因为它会影响电路的整体性能。它可确保测量准确可靠，因为它是电路中的一致参考点。GND 还可作为电流返回源的返回路径，从而使电路完整。它还可确保信号完整性，提供低电阻路径，从而减少电气噪声和干扰。提供一致的接地点有助于防止引起噪声和不必要的信号衰减的接地环路。

接地如何防止电路故障？

正确的接地可以最大限度地发挥电路的功能、实现精确的测量，并最大限度地减少干扰，从而有助于防止电路故障。

结语

总之，接地在电路设计中至关重要，因为它确保电子设备或系统的稳定性、可靠性和安全性。了解不同类型的接地可以解决接地环路、信号串扰和干扰问题。它还有助于保持信号准确性、降低噪音并遵守电磁兼容性和标准。接地实施的考虑非常复杂，因为它要求接地与电路设计和功能兼容。遵循这些做法可确保电子设备的最佳性能和峰值性能。

本文原文来自PCBtok.com