大地-與零電位的差別-0V與Ground不同

0V是定義出來的

首先電壓Voltage不是絕對值,它是相對值,完整名稱叫做電位差Electric Potential Difference,它是個差值,所以要有起點與終點才會有差距這種敘述。敘述電壓的時候,一定要先定義好哪裡是0V,其餘端點再以此做為參考電壓。下方的兩個電路完全一樣,差別只有0V要定義在哪裡而已。如左圖定義黑線為0V,那麼紅線就是110V(比黑線高的電壓),相反地右圖定義紅線為0V,那麼黑線就是-110V。

電壓是相對值
電壓是相對值

那麼0V到底要定義在哪裡比較好呢? 0V一般會定義在人的手腳容易觸摸到的地方,這是安全性的考量。也許你會質疑,同一份迴路難道會只因為0V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

所有的人都是站在地球表面,因此人與地球全部都是等電位,站在地面上的你和我彼此握手,並不會觸電。但如下圖左的迴路,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,是否會觸電呢? 答案是有可能的,因為靜電。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,通過人的身體與地面達成電荷平衡,也就是觸電,這種觸電方式的時間非常短暫,電荷平衡之後,黑色線與大地的電位就一樣了。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。

大地-左圖的系統與大地間的電壓未知,右邊的系統的0V與大地同電壓
左圖的系統與大地間的電壓未知,右邊的系統的0V與大地同電壓

既然要掌握電位差,就必須如上圖右,用導線把迴路的黑色線與大地連接在一起,這樣才能確保兩者的電位都是一樣,而且還可以將靜電荷排掉,並且定義大地為0V。這樣就能把大地納入迴路計算的系統,基本上我們並不希望人為的電路系統存在不確定性。所以系統的0V是定義在系統上,大地(Ground)的0V是定義地球上,這原本是兩個系統,他們必須彼此相連接,才能說系統的0V是以大地為參考電壓,是安全的。

大地定義為0V-方便分析

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0V?當然可以,這樣的話黑色線就會變成-110V。

那為何大家都喜歡把大地定義為0V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0V,確實是比較容易理解的做法,而實務上來說幾乎所有的應用都把大地定義為0V來分析,若有人不按此定義來做事,對其他人來說,就會很困擾。

這裡我引進了靜電的概念來說明沒有接地的危險,下面我找到一段影片用來說明在為飛機加油時,需要先接地再放入油槍,相信現在各位就能理解了。

在電路裡面通常會把GND直接預設為0V,這只表示在這個系統內是如此,也就是這個GND只給這個線路當參考電位0V。若這個電路是安裝在110V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就變成110V了。

下圖的調光電路虛線方框的電路,對於TRIAC來說,它的下方就是GND(下圖沒標示),上方就是電源,這個GND只對Triac有意義,對於外面的燈泡LAMP來說,它可是110V,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,因此是0V。所以用示波器測量的時候要小心,千萬別看到GND就把示波器探棒的地線接在Triac的GND(陰極)上,這樣會有短路產生火花。

利用TRIAC與DIAC做成的調光電路

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,連符號都不同,如下圖橫槓的是真實的地球大地Earth Ground,電路板接到機殼的稱為Chassis Ground,電路板本身的大地是則是訊號的參考電為Signal Ground。

各種 大地 Ground 的符號標示
各種 大地 Ground 的符號標示

雖然都是Ground,還是有分別的,亂接的話,電路可能會嗡嗡嗡喔。

22 Comments

  1. 本篇說明很棒!有幫助我重新釐清一些觀念
    不過文章中有一部分的說明想請問助教
    您提到0V一般會定義在人的手腳容易觸摸到的地方,這是安全性的考量,後面又說同一系統並不會因為0V定義在不同地方而有不同的安全性,既然這樣為何前面說0V定義的位置具備安全性考量呢?

    • 感謝您這麼認真看文章,我一定要認真回答, 能幫助大家釐清觀念是我的榮幸
      1.
      原文: 0V一般會定義在人的手腳容易觸摸到的地方,這是安全性的考量
      釋義:
      這是指人都以自己為出發點, 從自己開始定義為零, 再往外算比較不會算錯
      這裡的安全性指的是人為失誤

      2.
      原文: 同一系統並不會因為0V定義在不同地方而有不同的安全性
      釋義:
      如果定義紅色火線為0V, 那麼與黑線相接的大地就一定是-110V
      你我都站在-110V的電壓上, 彼此並不會觸電
      但摸到0V就會觸電, 因為重點在於橫跨紅黑才會觸電, 跟哪裡定義零電位沒關係
      所以我才這樣寫

  2. 這說明真的好詳細
    但還是想問一下助教
    我是在做會設備工程的人員
    我們設備的電箱都是三相四或三相五
    之前遇到過我們的電視牆漏電
    於是我們把設備專用電箱的地線接上
    接上後不知甚麼原因,居然讓別的設備的N還是G,變成了110V
    等於別的設備的三相五,有了四條火線,差點把設備燒掉
    這有可能的原因是為甚麼呢>>

    • 很有可能是現場電箱的接地已經失效了
      所以設備的接地只是大家的綠色線接在一起而已
      雖然看起來接在電箱的地線上
      但是卻沒有真正與大地相接

      所以漏電壓 會沿著G跑到別處
      整條綠色線都是110V
      造成別台機器的機殼也出現110V

      最好還是檢查一下電視牆的電源
      看看哪裡漏電
      可能老鼠咬, 電線破損 or 電路板壓到之類

  3. 請問有接地的圖的右邊的迴路,
    一部分電流會不會經由綠色的導線流向大地呢?
    如果不會的話又是為什麼?

    • 不會, 因為發電機只能驅動上方的迴路, 上方迴路與大地之間只有一條線 無法構成迴路

      • 謝謝。

        那再請問,同一個圖,如果那個小人站在大地之上,觸摸紅色部分的導線,這樣小人會觸電嗎?
        如果會觸電,請問是一個怎樣的迴路呢?

          • 請問那如果整個發電系統沒有接地,並且系統沒有靜電。那麼是不是不管小人摸哪裡都不會構成迴路。那麼也就不會被電了?

          • 正確
            這稱為ungrounded system
            實務上來說, 風會吹電線與設備, 靜電無可避免

  4. 請問一個外行的問題
    大地線是0v,所以用電表量火線跟地線會是110V嗎??
    家裡剛好沒地線可以試

      • 不過文章開首又有提到哪裡定義0V不影響電路的功能,而大地與紅色線或黑色線連接應該是改變定義0V的地點(變得和大地無voltage difference),根據這個邏輯的話,大地與紅色線或黑色線連接應該不會有不同。當然,我知道大地與紅色線連接燈不會著而與黑色線連接燈會著,不過我想不通如何用這文章中的concept去得出同樣結論。

        • 大地接紅or黑 , 燈都會亮
          重點是不能同時將大地接紅and黑

          兩個導體相接, 那麼兩者就同電壓
          大地跟紅線接 就與紅線同電壓, 黑線同理
          接好了, 就屬於同一個系統, 再來定義誰是0V

          希望有回答到

          • 如果紅線和黑線相接,是不是會短路?不過如果紅線和大地相接,是不會短路,是不是?
            因為我一直以為大地=黑線

          • 1. 紅黑相接 是短路沒錯
            2. 紅線和大地相接 會不會短路? 那要看黑線有沒有先和大地相接
            黑線和大地相接, 然後紅線又和大地相接 , 保證短路
            如果只有單單紅線與大地相接, 沒事的

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