安全至上! AC電路接地方案面面觀

作者 : Bill Schweber,資深技術編輯

大多數情況下,接地確實可以提高電路性能,但是正如每位有經驗的工程師所知道的,規則之下總有例外,接地就是其中之一...

大多數電子工程師很早就認識到電路接地的重要性,在多數情況下,無論遇到什麼問題,增加接地或改善接地方法(即降低阻抗)都是有好無害,這是電子工程師在工作和除錯電路原型的過程中被一再灌輸的觀念;而且,他們還學到,在某一點將類比接地連接到數位接地,可以最大程度減少不必要的接地電流和相關雜訊。

大多數情況下,接地確實可以提高電路性能,但是正如每位有經驗的工程師所知道的,規則之下總有例外,接地就是其中之一;它最大的問題在於定義不明,而且這個草率的術語與看似無辜的電壓(Voltage)有關。

為什麼會這樣?因為「接地」這個詞可能意味著以下三種電路連結中的任何一種:

  • 大地接地(earth ground),電路確實與大地連結;大地是電子的無盡來源(source)與終點(sink)。
  • 共同接地(common ground),又稱為訊號接地(signal ground),也就是在電路中建立一個0V電位點;通常電路中會有多個0V電位點,因此這種接地常會造成很多誤導。
  • 機殼接地(chassis ground),連結電路中所有標稱0V電位點;可以接至大地,但通常無法實現,例如電池供電的可攜式裝置就無法與大地連接。因此如果並未連接到真正的大地而用了「接地」一詞,就可能產生誤導。

以上每種接地都有不同的電路符號,但在我見過的大多數電路圖都沒有區別它們,而是統一使用三角形的接地符號,除非繪圖者足夠細心(參考圖1)。

 

圖1:不同的接地方式也有不同的電路符號,但經常被誤用。

(來源:Autodesk)

 

接地一詞造成的混淆,很大程度上與另一個重要名詞相關:電壓。當有人說「A點電壓為xV」時,這種說法忽略了電壓的關鍵含義,也就是電壓只存在於兩個特定的點之間。如果要用一個更貼切的名詞來表示電壓,應該比較老派但仍沿用至今的「電位差」(potential difference)。

除非指明A點電壓是相對於另外一個點,否則說「A點電壓」,對電路的不同部分就可能表示不同的電位,當電路中存在各種接地時就更容易造成混淆。因為大地接地、機殼接地、公共接地(訊號接地)之間往往存在電位差,從幾mV到幾V不等、甚至更高。

當然,存在電位差的地方就可能產生電流,這就是另一個未嚴謹使用「接地」和「電壓」等名詞容易造成混淆的原因。電位差已是個問題,但在許多情況下,通常更重要的是由電位差引起、流經電路兩點之間的電流;這些電流在基於低壓感測器的設計中是雜訊和性能問題的根源,在某些情況下甚至可能引起致命危險,總之可能產生一系列問題。

若是良好的接地如此重要,它們怎麼可能致命?這並不是說接地本身很危險,而是一個兩階段問題:假設有一台配備金屬外殼的醫療儀器,為了安全起見,儀器採用了大地接地,因此當電流內部故障導致交流電壓短路時,產生的電流將從機殼直接導到大地,而不會流經使用者(患者)的身體再回到大地。

這似乎是一個好主意,確實也是,但總可能有壞事發生;有一種可能就是,因為電線、螺絲鬆動或腐蝕(這常會發生),或者三相AC插頭/插座接線的大地接地不良或斷開(這也很常見),而造成嚴重安全問題(參考圖2)。

 

圖2:標準三相交流電(AC)插頭具備火線、中性線和接地線;它們的顏色可能因國家/地區而有所不同,接地線通常以綠色絕緣層覆蓋或者直接裸露。但電源線、插頭、插座或主電源運作時經常沒有連結大地接地,或者是斷開的。

(圖片來源:Lumen Learning)

 

因此,當以上壞事發生、又有人碰觸到機殼…你應該知道AC電流通過某種物體再到大地,會發生什麼事(參考圖3)。這裡的電壓並不足以致命,要命的是被驅動流經人體的電流——僅需幾mA的電流就可以透過皮膚接觸穿過胸部,並引起心房顫動。所以人們也把電位差稱做電動勢(electromotive force),這是有充分理由的。

 

圖3:絕緣層破損會使火線與裝置的金屬外殼直接接觸,當接地連結斷開時,人體就會遭受嚴重的電擊——然而儘管接地斷開,裝置卻仍可能正常運作。

(圖片來源:Lumen Learning)

 

有一種情況是裝置機殼不採用大地接地,而是以隔離變壓器(isolation transformer)來避免電擊危險(參考圖4);這種變壓器的二次側有AC火線和中性線,但沒有大地接地線,因此可避免電流通過使用者身體流回大地。

 

圖4:隔離變壓器的一次側接地線和二次側之間沒有電阻性電流通路,因此不會形成完整的電路,這能避免電流通過使用者身體再流回大地。

(圖片來源:Lumen Learning)

 

醫療設備通常會被強制要求使用隔離變壓器,因為如果需要將探針深入患者體內,在接觸阻抗較低的情況下,電擊風險會非常高。流經胸腔內部的電流哪怕只有幾mA也可能致命。

而隔離的需求不僅限於AC裝置或為了避免電擊危險,許多感測器都不提供大地接地,但在實際使用中卻能與大地連結;例如安裝在金屬框架上的感測器。不過這種大地接地連結可能會使類比前端(AFE)的電路短路,因此通常使用「浮動」(floating)的非接地AFE,而透過變壓器、光耦合器、電容耦合、RF鏈路或其他技術實現隔離。

而儘管面臨電路設計專案的時間壓力,我們通常還是值得退一步思考以下問題:

  • 接地之間和電路功能之間的電位差在哪裡?有多大?
  • 這些電位差會產生多大的電流?又會產生什麼影響?
  • 大地接地(如果有)、機殼接地和共同(訊號)接地之間如何連結?(注意,許多電路實際上具有多個訊號接地)

坊間可以找到大量有關不同接地類型以及其各方面知識的參考資料、線上課程、實作案例等等,涵蓋五花八門的應用如電池供電的敏感感測器驅動電路、醫療設備、大型建築物和天線塔等等。你是否也曾遭遇接地設計相關的問題或推薦的參考資料?歡迎分享!

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌簡體中文版2021年2月號;責編:Judith Cheng

(參考原文:AC grounding essential, dangerous, or both,By Bill Schweber)

 

 

 

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