電路設(shè)計(jì)中的“熱地”和“冷地”

前言

最近做了一個(gè)簡(jiǎn)單的小設(shè)備，從某寶采購(gòu)的便宜的成品帶外殼，自己改造一下?lián)Q成帶無(wú)線通訊的產(chǎn)品，使用過(guò)程中忽略了阻容降壓只有 “ 熱地 ” 的問(wèn)題，整得跳閘了好幾次 = =！跳閘的原因就得先了解電路中的不同的地了 ，所以本文我們就來(lái)講講電路中的 “ 熱地 ” 和 “冷地 ”。

一、 “地”的基本概念

在所有和電有關(guān)的設(shè)備中，都會(huì)提到一個(gè)概念：“ 地 ” 。

“地” 的經(jīng)典定義是 “作為電路或系統(tǒng)基準(zhǔn)的等電位點(diǎn)或平面”。

“接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地和設(shè)備接大地，兩者概念不同，目的也不同。

“地” 有設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)“地”， 和真正的地——大地。

電路中的信號(hào)“地”又稱參考“地”，它是相對(duì)而言的，是零電位的參考點(diǎn)，也是構(gòu)成電路信號(hào)回路的公共端，我們常常把電源的負(fù)極當(dāng)成信號(hào) “地” —— GND，它不是大地，有時(shí)候我們需要將它與大地連接，有時(shí)候不需要。

對(duì)于一些 MCU 的單品設(shè)備，他們只需要保證自己的信號(hào)地連接正確就好了，但是對(duì)于一些大型的電子設(shè)備，除了考慮產(chǎn)品設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地，還會(huì)通常還將設(shè)備的信號(hào)地，機(jī)殼與大地連在一起，以大地作為設(shè)備的接地參考點(diǎn)。

1.1 “熱地” 與 “冷地”

本文主要探討一下 “熱地” ，有 “熱地” 對(duì)應(yīng)的當(dāng)然就是 “冷地”，下面來(lái)詳細(xì)了解一下。

什么是 “熱地” ？

“ 熱地 ”是指和交流電網(wǎng)直接或間接相連接的區(qū)域 。熱地 和大地之間是有電壓差的，如果人體站在大地上直接觸發(fā)，是有觸電危險(xiǎn)的。

比如我們使用的阻容降壓電路，經(jīng)過(guò) 整流橋，穩(wěn)壓管，濾波電容的 負(fù)極 連接的 GND ，就是 “熱地” 。

在電路圖中，我們使用這個(gè)符號(hào)表示：

什么是 “冷地” ？

“ 冷地 ”是指的沒(méi)有和交流電網(wǎng)連接的地，經(jīng)變壓器或元器件隔離后對(duì)人身不會(huì)造成傷害的接地，或者只是存在于局部的回路，一般對(duì)人體而言都不會(huì)有危險(xiǎn)。

比如我們?nèi)绻?a target="_blank">嵌入式開(kāi)發(fā)，如果不涉及強(qiáng)電部分，只做一些簡(jiǎn)單的傳感器設(shè)備，與真正的大地是沒(méi)有關(guān)系的。而這種不合電網(wǎng)連接在一起的地，其實(shí)就是"冷地"。

在電路圖中，我們使用這個(gè)符號(hào)表示：

當(dāng)然，還有下圖的這種冷地的表示：

一般來(lái)說(shuō)他表示大地，就是我們真正的地。

二、阻容降壓中的 “熱地”

有一篇文章講過(guò)阻容降壓電路：聊聊阻容降壓原理

現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看看，其實(shí)當(dāng)時(shí)圖中也沒(méi)有注意 GND 的圖標(biāo)的問(wèn)題，把 “熱地” 用 “冷地” 的電路圖標(biāo)表示了，我們來(lái)看看阻容降壓的電路圖如下：

上圖中的 GND 就是熱地，他可以為我們的負(fù)載設(shè)備正常使用，就比如直接給 24V 設(shè)備供電，或者通過(guò) DC/DC 或者 LDO ，直接轉(zhuǎn)成 3.3V 給我們單片機(jī)最小系統(tǒng)使用。

但是因?yàn)闆](méi)有進(jìn)行隔離措施，即便有穩(wěn)壓二極管使得電壓變小了，但他還是直接與市電的 L 和 N 連接，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，這也是為什么阻容降壓安全性不高的原因。

2.1 跳閘的原因

在使用產(chǎn)品的過(guò)程中，我是直接使用的樣品上的阻容降壓電路通過(guò) DC/DC 給 MCU 提供的電源，當(dāng)準(zhǔn)備給設(shè)備燒錄程序，每當(dāng)我的 STLink 剛碰到板子的接口，就跳閘了…… 跳了幾次才想起來(lái)，是阻容降壓的問(wèn)題，還挺尷尬的。

對(duì)于燒錄器而言，他是通過(guò) USB 連接電腦的，所以他的地是和電腦的地連接在一起的，電腦使用的三眼插頭，那么電腦的地其實(shí)就是接了地，和真正的大地連接起來(lái)的。

而板子上經(jīng)過(guò)阻容降壓后的地，是“熱地”，他是經(jīng)過(guò)火線零線通過(guò)二極管連接的，燒錄器如果直接和板子連接，會(huì)導(dǎo)致火零線與大地短路?。∷詫?dǎo)致跳閘。

三、關(guān)于“熱地”的一些實(shí)際問(wèn)題

3.1 開(kāi)關(guān)電源對(duì)地的隔離

那么上面說(shuō)到阻容降壓不安全，因?yàn)樗牡厥?“熱地”，那么實(shí)際上現(xiàn)在使用的開(kāi)關(guān)電源都是通過(guò)變壓器線圈是把冷地?zé)岬馗綦x開(kāi)了，直接上圖說(shuō)明：

當(dāng)然，除了變壓器， 光耦也是可以把冷地和熱地隔離開(kāi)的。

3.2 示波器對(duì)220V交流的測(cè)量問(wèn)題

我們一般用示波器測(cè)量信號(hào)，但是大家有沒(méi)有用示波器測(cè)量過(guò)220V交流電？

示波器是有地線的，示波器標(biāo)配的是 3 眼插座，它的外殼是和 插座上的地線連接的，作為探針來(lái)說(shuō)，他的負(fù)極其實(shí)也是和和插座上的地線連接的，那么這就會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，如果直接將將表筆測(cè)量 220V， 那么肯定會(huì)出現(xiàn)短路的情況。

那么我們?nèi)绾慰梢宰屖静ㄆ鳒y(cè)量 220V 交流電呢？

我們可以將示波器接線頭的地線 “去掉” ，不讓示波器的地 與真正的大地連接起來(lái)，那么示波器就可以直接測(cè)量 220V 交流電， . 但是注意！因?yàn)槭静ㄆ鞯耐鈿な桥c表筆的地相連的，實(shí)際上這時(shí)候表筆的地也就是“熱地”，這樣做會(huì)導(dǎo)致示波器外殼帶電，有安全隱患。

我們也可以使用隔離變壓器，將被檢測(cè)設(shè)備隔離。. 但是這種方式屬于 “浮地” 測(cè)試，也有一定的安全隱患。

最安全的方式，應(yīng)該是采用高壓差分探頭，可以直接測(cè)量，但是他也有個(gè)缺點(diǎn)，就是探頭比較貴= =！

所以使用示波器測(cè)量 220V 交流電，大家可以根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇合適的方法，但是一定要注意安全。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一下電路中的 “熱地” 和 “冷地”，通過(guò)對(duì)實(shí)際阻容降壓電路使用過(guò)程遇到的問(wèn)題，讓大家了解了“熱地”，希望大家在以后的產(chǎn)品使用和設(shè)計(jì)的過(guò)程，能夠正確的區(qū)分“熱地” 和 “冷地”，減少使用設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題。

編輯：黃飛