一、接地与安全
接地是一个非常容易理解的概念，同时又是一个在实践中很难尽善尽美解决的、相当复杂的技术问题。
在电子、电器设备的原理图上，“┻”和“
”符号就是人们通常所说的“接地”。接地有二层意义：从狭义上说，在电工和电子技术中，确认大地的电位作为零电位，这是对所有电力系统和电子设备而言的。凡是用地线与大地可靠连接就叫做接地，这是真正的接地，用符号“”表示：从广义上说，“地”指的是电子线路的中性点，即人为指定的基准电压参考点，在电子线路图中标示为“┻”，这一点是否与大地相接已无关紧要。引进接地这个概念，往往是为了测量与计算的需要。同一张电路图中，各点的电压取一个公共参考点，一般设这个参考点的电位为零电位。实际上许多电路图中“接地”并不是一定真与大地相连，只是人们习惯上把电路中的“零电位”称为“接地”而已。本文不准备对接地作专业性的讨论，只是根据实践经验，谈谈同接地有关而在教科鹅中很少做具体述的一些问题，供大家参考。
在工程技术上，许多地方要求必须接地，即应当有工作地线。因为交流电可能通过元器件的内阻、等效电感或电容耦合、绝缘不良等途径，使电器的外壳或外露的金属部分呈现带电状态。使用交流电网供电并具有金属外壳的设备，如果是需要人工操作的，或是人体经常接触到的，为避免设备漏电时发生触电事放，把在故障情况下可能出现危险的对地电压的导电部分同大地紧密地连接起来，称为保护接地，接地体和接地线总称为接地装置。
如果电器设备的金属外壳不接地，则当电器设备一相绝缘损坏时，其金腻外壳就存在相电压，人体一旦接触就会通过电流造成触电事故。
目前我国低压供电系统采用三相四线制，配电变压器低压侧的中性点是直接接地的。电器设备采用了保护接地之后，当电器设备一相绝缘损坏出现漏电时，其接地短路电流较大，就会熔断保险丝或使自动空气开关断开，切断电源，确保人身安全。
为了保证熔断器或自动空气开关能迅速可靠地动作，接地短路电流不应小于熔体额定电流的4倍或自动空气开关整定电流的1．5倍。为了安全可靠，接地体的接地电阻应小于4Ω，且越小越好。减小接地电阻的方法是尽量利用自然接地体，采用多点接地、网状接地等。
这里顺便谈一下“保护接零”。所谓“接零”是将电器设备在正常情况下不带电的金属外壳与系统中的零线相连接，称为保护接零，零线就是三相四线中接地的中性线，所以接零只能在中性点接地的三相四线制系统中采用。其作用原理是，当电器设备有一相发生绝缘损坏碰外壳时，由于保护零线有足够的截面，阻抗甚小，能产生很大的单相短路电流，使熔体迅速熔断或自动空气开关眺开，从而切断设备电源。同时，保护接零的优越性就在于能克服保护接地受制于接地电阻的局限性。但须提出的是，在同一系统中，不得将一部分设备接零，而一部分设备接地，即应采用同一类型的保护接地(接零)装置，以免接地设备绝缘发生碰壳故障时，零线电位升高而发生事故，如图1所示。
采用保护接地时，接地装置的接地电阻不应大于4Ω，敷设人工接地体不应少于二根，采用垂直敷设时，其入地深度不应小于2m，二根接地体之间的距离不应小于2．5m。
所有设备的保护接地线或接零线不得串联，应当分别直接接于接地干线或接零干线。图2、图3分别示出了错误和正确接线实例。
有接地要求的单相电器设备，不得使用两孔插座，单相电源的三孔插座不得用于三相动力设备。没有条件正确采用接零的场合，宁可不要保护接零，以免造成电气事故。
使用三孔插座时，接线必须正确，应将插座上接电源中性线的孔和接地的孔用两根导线分别接到工作零线(N)和保护线(PE)上，不准将插座上接电源中性线的孔和接地线的孔串接，以免当接零线松落时，设备外壳带电。
为了施工和便于检查，相线、中性线、接地线应有明显的颜色区别，通常三根相线采用红、黄、绿三种颜色，中性线采用黑颜色，而接地线采用黄绿相间的颜色。
为防止雷击，在较高建筑物上的顶部通常都设置避雷针或避雷器，并经引下线到接地装置与大地作良好的连接。当建筑物上空出现雷云时，地面上感应出的负电荷就会沿着接地装置、引下线和避雷针进入大气，与雷云的正电荷中和，避免发生大规模的放电现象。为避免静电感应雷，应将建筑物内所有大型金属物体全部予以良好的接地，使感应产生的静电荷迅速地被引导入地，消除积聚放电的可能。
由于雷击时在接闪器、引下线和接地体上都会产生很高的电位，对附近的电器设备、金属管道、电缆等可能造成破坏事故。所以，防雷接地装置同地下管线之间，一定要保持适当的距离。当架空线路直接受到雷击或在其周围发生雷击时，在线路上会形成高达数十万伏的感应过电压，这称之为高电位引入，因此在架空线路上每隔一段距离就要重复接地，这是必不可少的保护措施。
接地对设备的安全也是至关重要的。任何两种不同的物体发生摩擦时，都会产生不同的静电荷。在冬季气候干燥的情况下，工作人员在铺设地板的机房内走动，人体便会带电，有时这种静电可高达干伏以上，如果电器设备没有采取接地保护措施，人体碰触到设备或某些器件时，静电就会造成设备的损坏。因此工作台和设备外壳都应接工作地线，人体所带的静电通过地线泄放后，才不致对设备造成危害。
二、等电位概念
电路图中选择一个参考点的电位作为零电位，例如图4所示的NPN管放大电路，是从电池负极接地作参考点，但也可改用图5所示用电池正极接地作参考点，这两种电路实质相同，但所标注的各点电位数值都不相同了，然而电路中任意两点间的电压不变，如基极到发射极的电压Vbe都是+0．7V，Vce都是+0．2V，同样PNP管放大电路亦可以从电池负极接地，分别如图6、图7所示。在集成电路中，集成运放电路、TTL电路、CMOS电路等一般均在正电源情况下工作，即电池负极接地，这称为“正逻辑”工作方式；而PMOS电路在负电源情况下工作，其电源正极接地，这称为“负逻辑”工作方式。
在电路图中，认为所有接地符号表示这些点的参考电位应相等，即是等电位。但实际上，由于种种因素会引起这些点的参考电位出现差异，对电路的工作状态产生一定的影响，有的影响可以忽略不计，有的影响则必须采取补偿措施。
例如，便携式仪器使用机内直流电源，测试时无须接地，参考点电位是悬浮的，即使测试点对地有较高电位差，对测试仪器本身没有多大影响，只要注意输入信号不超过量程限制即可。但在使用交流供电以及需接地的仪器时，就要慎重考虑接地问题，特别是测试点的“地”与仪器的“地”参考电位是否相等，测试点是否允许接地，这两点一定要心中有数，有的高档测量仪器在使用中对输入信号要求很严，一旦过载就会损坏仪器，有时直接引入仪器测量端口的信号是正常的，但忽略了仪器“地”同测量点“地”的等电位问题，就会通过回路引入电位差，如图8所示测试状态。如果仪器是悬浮的(使用直流供电，不接地)，在仪器的输入端仅有同轴电缆芯线与屏蔽层之间的电位差U1，若是使用交流供电，大致有两种情况：
1．使用三芯电源插头，相线L、中性线N和地线上(接地)正确连接，则仪器的“地”与大地之间没有电位差，这是标准测试时仪器电源的连接方式；
2．使用两眼插孔，仪器外壳未接工作地线，则仪器的“地”与大地之间可能会有一个交流电位差U2，如果被测试的同轴电缆中除传输高频信号外，还馈送放大器电源，那么电缆末端外层屏蔽(地)与大地之间也会有一个交流电位差U3，测试仪器同电缆的“地”电位不一致。
倘若是在第2种情况下测试同轴电缆信号，仪器的电位差U2、电缆与大地之间的电位差U3，特别是测试探头与电缆芯线先接通时，仪器输入端承受的电位差最大，即：Ui=U1+U2+U3。这个电压如果超过仪器允许范围，就会使仪器受损。
现在自动控制的电器越来越多，强电与弱电技术融合在一起，对强、弱接口部分的“地”电位应概念明确。例如有一台自动焊机工作不正常，在检修时为观察控制脉冲发生器的工作情况，用示波器接入有关部分进行检测。该焊机控制脉冲发生器电路图上标示的“地”电位实际上是悬浮的，真正直接与工作地线相连的仅是焊机的外壳部分，而所使用的示波器是通用单踪示波器，其外壳与测试探头地线连接在一起，检修人员将示波器放在焊机外壳上，通过两台设备的金属外壳，使示波器探头一端(地)与工作地线等电位(如图9所示)。当测量主通路大功率可控硅的阴极和控制极脉冲波形时，经过示波器测试线将地电位引入，相当于把可控硅控制极接到电网零线上，结果瞬间烧毁大功率可控硅。如果将示波器的外壳与电焊机外壳相互隔离，也即人为地使示波器参考点电位“地”悬浮起来，在这种情况下进行测试，便不会损坏设备。
再如，采用不平衡方式进行长距离音频信号输送时(如图10所示)，在信号源的“地”A点与放大器的“地”B点之间会产生一个电位差Uab，这个信号叠加在信号源输出信号Uo上。传输距离越远，电位差Uab越大，信号源高电平输出时，相对干扰要小一些，信号源输出电平低时，电位差造成的影响相对较大。采用平衡方式馈送信号，并在传输终端加入有源或无源校正装置，可以使干扰减至最小。
三、接地对电路性能的影响
电子设备中的接地是一个相当复杂的问题，如果接地的走线不合适，会使设备的工作指标下降，那是因为导线都有一定的阻抗，地线本身也是有引线电阻和电感存在的，无论直流或交流电通过接地线时总要产生一定的电压降，这就使接地线两端的地电位不再相等。
对直流来说，各级直流工作点基准电平不再一致，对交流来说，不同的频率有不同的接地阻抗，产生的压降随频率而变。
各级的工作电流必然要流经公共地线，自然也会通过地线电阻和电感造成各级间的耦合。一般采用加粗地线引线，缩短地线长度的方法来减小地线的电阻和电感。
在直流和低频电路中，先将各级接地点集中在一起，再一点接地，使各级电流分别流入接地点，便可以较好地消除级间耦合。
在高频放大电路中不宜采用一点接地方式，一点接地时引线相对较长，地线的电感和分布电容也较大，造成放大器前后级之间的不良耦合，容易引入干扰，降低放大器工作稳定性。昕以在高频电路中，印刷电路板设计通常采用多点接地，并用大面积环绕印刷电路作地线。
在放大电路中，电源、信号输入和信号输出端(地)总是连在一起的。但这并不是说，只要用导线(或印刷电路板)将这几个线头连通就行了。音频功率放大器电路地线要是安排不合理就会引入干扰，在印刷电路板上，防止输出信号通过接地不当反馈到输入端，接地点的选择大有讲究，其效果差别甚为明显。
图11是一个普通的音频功率放大器电路。当接地点如(a)上那样安排时，在负载RL上的输出电流Io在C与D这一段地线上产生压降Uo，而从信号输入端到接地点之间，会叠加一个由地线中电流产生的干扰电压U1。前置放大器A1工作在小信号状态，其输入信号Ui本身较小，很容易受到外界干扰。而功率放大级A3工作电流较大，又容易干扰其他电路。因此接地位置不当，Ui、U0、U1三个信号通过地线一起加在放大器输入端，这使得放大器的交流哼声指标大为降低。如果Uo、U1的相位正好与Ui相同，就会形成正反馈，放大器将出现自激，幅频特性和工作稳定性都无法得到保证。
如果像(b)那样改动接地线位置，输入信号的地就近接在输入级，各级接地线中仅有本级工作电流通过，使输入电流与输出电流不经过同条导线入地，这样可避免地电流引起的干扰和寄生反馈，使输出信号没有途径反馈到输入端，输入回路中无串扰信号，这就是比较合理的接地方式。
稳压电源的接地点会直接影响输出级的纹波系数，电路走线是否合理对50Hz噪声影响很大。滤波电容的容量与输出交流纹波有一定关系，但如果布线不当，即使再加大滤波电容容量也无济于事。图12是一个典型的串联稳压电路，假定所有元件均安装在一块印刷电路板上，仅滤波电解电容C1、C2因体积较大只好另外固定在底板上，滤波电容C1的引出线接在印刷电路板的某个位置，对稳压电源的性能至关重要，如果把图12中C1负极和总的公共接地点放在C点，这样整流二极管与接地点相距较远，整流输出的交流电流经过地线再回到滤波电解电容C1，直流回路a—c中也有交流回路的电流通过，交流纹波压降将叠加在直流输出中。这洋会使地线中产生的交流压降，部分进入取样放大管V3，由于这个交流纹波使取样管基准电压波动，因此产生的输出纹波，是无法通过更换元件和调整电路工作状态来消除的。这种布线方法使输出直流电压的纹波增大，而且输出电流越大，纹波系数越大。
图13是一个改进的接地方案图。以电解电容C1负极为总接地点，到整流管单独用线a—a’接出(接线宜短宜粗)，此线构成交流回路，直流回路地线b-b’中没有交流压降成分。虽然仅仅是简单地改变了一下接线方式，对改善输出纹波的作用却是十分显著的。
电源变压器的初级线圈直接与市电交流嗍络连接，它不仅引入50Hz的交流电能，而且也从电网中引入各种高频率的无线电波与其他干扰，在收听广播时会出现调制交流声。有些简易电源变压器没有初/次级屏蔽层或有屏蔽层的接地端却没有接地，解决方法是：可按图14所示在变压器次级线圈对地接一个0．047uF～0．1uF的电容器，或把漏接的屏蔽层的接地端接地，这样可起到抑制调制交流声的作用。
除TTL以外的数字集成电路，一般不用的输入端不得悬空，悬空的输入端对于扰比较敏感，器件虽有输入保护网络，但保护范围有限，当外界的静电较强时，仍会击穿MOS管栅、源极间的绝缘层。即使没有静电致损的问题，PMOS电路和CCMOS电路的高输入阻抗(分别大于1M与10的9次方～10的12次方Ω)，也极易感应外界的干扰噪声，使得正常的逻辑功能不起作用或功耗增大。一般出现多余输入端的多是逻辑门电路，应按不影响使用端的逻辑功能和保证电路工作稳定的原则来处理，即按逻辑要求接“1”或“0”，例如对或门和或非门则应接“0”，即接地。因此根据器件多余输入端不能悬空之原则，在焊接集成电路时，电烙铁应有良好接地，以免损坏集成电路。
电子管机的接地点安排是一个提高整机性能、减小干扰的关键问题。各级放大器回路的接地点应尽可能靠近，尽量采用“一点接地法”。地线按输入级、电压放大级、倒相级、功率放大级的顺序走线，然后在电源滤波电容负端连同电源变压器屏蔽线一并接地。另外，接地线要比一般走线粗几倍且越短越好。
综上所述，接地是一门涉及面广，不容忽视的技术，稍不注意会引发诸多麻烦。本文只是泛泛而谈，只作定性描述，不作定量分析，以期抛砖引玉。
网友评论