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[分享] 电子电路中“地”的本质与特性

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发表于 2023-1-19 11:05:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

电子电路中,“地”到底是什么?其物理特性又是什么?常见的定义和说法有很多:


“地”是指电位参考点,即电位等于零的点;


“地”是作为电路或系统基准的等电位点或平面;


设备的信号接地,是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点,为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位;


“地”是电源的负极;


其中,关于地的分类又有很多种,保护大地PE(指接到地球)、外壳地、安规地、高频接地、功能地、功率地、逻辑地、数字地、模拟地等。


那这些不同名字、不同分类的地的本质功能特性到底是什么?他们之间又应该是如何连接的关系呢?


“地”的本质特性是一个大电容,简称地电容特性。如(图1)示意。地是一个超级大电容。


图1


按照电容的计算公式Q=C*U,得出:U=Q/C


则:△U=△Q/C


当C无穷大的时候,按照极限的概念,△U=0,意指往地电容中注入(或取走)一定量的电荷,地电容极片(及与之相邻的地连接线)上的电位不会产生波动。这个特性构成了地的第一个理想特征——电位稳定。


其次,在往电容里注入电荷的过程中,地通路上因为趋肤效应导致的交流阻抗(又称高频阻抗,或走线电感)WL=Rf=0、直流导通阻抗Rdc=0,则电荷在整个地平面及与之相连导线上的任意两个点之间的地电位差均为0,则构形成了理想地的第二个条件,地平面上任意两点间均为等电位。


同时具备了如上两个特征的电压平面,便是理想地。在这种情况下,雷击浪涌的泄放入地、弱电控制电路的Gnd、功率驱动电路的PGnd只要都能确保接到这样的地通路中,不同类型的电路之间会因为共地产生什么不良影响吗?结论是不会。因此,也就有了常见的示波器的交流供电保护大地PE与信号表笔的功能Gnd直通、汽车的电源负极与车架和控制电路Gnd直通等设计方案。


一句话总结:理论上,地的条件理想的话,所有地都是可以接在一起的。


但是,虽然理论上所有地是可以直接简单而粗暴的连接的,但这基于理想地的两个前提,而事实上,在工程上,这样的两种理想状态都是不存在的。因此,衍生出了多种不同的接地模式,其本质都是为了避免地电容不够大、地阻抗(交流阻抗和直流阻抗)不为0时引起的系列问题。其中尤以单点串联形成的共地感抗(或阻抗)耦合干扰、PE与一次电源地二次电源地的三地是否隔离两大问题最为典型。这些就是后续篇幅深入探讨的问题了。

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