电路设计中的 “热地” 和 “冷地”

news2024/10/1 3:30:47

一次跳闸事故引起的对 “热地” 的认识   ...... by 矜辰所致

前言

最近做了一个简单的小设备，从某宝采购的便宜的成品带外壳，自己改造一下换成带无线通讯的产品，使用过程中忽略了阻容降压只有 “ 热地 ” 的问题，整得跳闸了好几次 = =！跳闸的原因就得先了解电路中的不同的地了，所以本文我们就来讲讲电路中的 “ 热地 ” 和 “冷地 ”。

我是矜辰所致，全网同名，尽量用心写好每一系列文章，不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！

在所有和电有关的设备中，都会提到一个概念：“ 地 ” 。

“地” 的经典定义是 “作为电路或系统基准的等电位点或平面”。

“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。

“地” 有设备内部的信号“地”，和真正的地——大地。

电路中的信号“地”又称参考“地”，它是相对而言的，是零电位的参考点，也是构成电路信号回路的公共端，我们常常把电源的负极当成信号 “地” —— GND，它不是大地，有时候我们需要将它与大地连接，有时候不需要。

对于一些 MCU 的单品设备，他们只需要保证自己的信号地连接正确就好了，但是对于一些大型的电子设备，除了考虑产品设备内部的信号接地，还会通常还将设备的信号地，机壳与大地连在一起，以大地作为设备的接地参考点。

我们本文主要探讨一下 “热地” ，有 “热地” 对应的当然就是 “冷地”，下面我们来详细了解一下。

什么是 “热地” ？

“ 热地 ”是指和交流电网直接或间接相连接的区域。热地和大地之间是有电压差的，如果人体站在大地上直接触发，是有触电危险的。

比如我们使用的阻容降压电路，经过整流桥，稳压管，滤波电容的负极连接的 GND ，就是 “热地” 。

在电路图中，我们使用这个符号表示：

在这里插入图片描述

什么是 “冷地” ？

“ 冷地 ”是指的没有和交流电网连接的地，经变压器或元器件隔离后对人身不会造成伤害的接地，或者只是存在于局部的回路，一般对人体而言都不会有危险。

比如我们如果做嵌入式开发，如果不涉及强电部分，只做一些简单的传感器设备，与真正的大地是没有关系的。而这种不合电网连接在一起的地，其实就是"冷地"。

在电路图中，我们使用这个符号表示：

在这里插入图片描述

当然，还有下图的这种冷地的表示：

在这里插入图片描述

一般来说他表示大地，就是我们真正的地。

我有一篇文章讲过阻容降压电路：聊聊阻容降压原理和实际使用的电路

现在回过头来看看，其实当时图中也没有注意 GND 的图标的问题，把 “热地” 用 “冷地” 的电路图标表示了，我们来看看阻容降压的电路图如下：

在这里插入图片描述

上图中的 GND 就是热地，他可以为我们的负载设备正常使用，就比如直接给 24V 设备供电，或者通过 DC/DC 或者 LDO ，直接转成 3.3V 给我们单片机最小系统使用。

但是因为没有进行隔离措施，即便有稳压二极管使得电压变小了，但他还是直接与市电的 L 和 N 连接，存在一定的风险，这也是为什么阻容降压安全性不高的原因。

在我使用产品的过程中，我是直接使用的样品上的阻容降压电路通过 DC/DC 给我的 MCU 提供的电源，当我准备给设备烧录程序，每当我的 STLink 刚碰到板子的接口，就跳闸了…… 跳了几次才想起来，是阻容降压的问题，还挺尴尬的。

对于我们的烧录器而言，他是通过 USB 连接电脑的，所以他的地是和电脑的地连接在一起的，电脑使用的三眼插头，那么电脑的地其实就是低，和真正的大地连接起来的。

而我们的板子上经过阻容降压后的地，是“热地”，他是经过火线零线通过二极管连接的，烧录器如果直接和板子连接，会导致火零线与大地短路！！所以导致跳闸。

那么上面说到阻容降压不安全，因为他的地是 “热地”，那么实际上现在使用的开关电源都是通过变压器线圈是把冷地热地隔离开了，直接上图说明：

在这里插入图片描述

当然，除了变压器，光耦也是可以把冷地和热地隔离开的。

我们一般用示波器测量信号，但是大家有没有用示波器测量过220V交流电？

示波器是有地线的，示波器标配的是 3 眼插座，它的外壳是和插座上的地线连接的，作为探针来说，他的负极其实也是和和插座上的地线连接的，那么这就会有一个问题，如果直接将将表笔测量 220V，那么肯定会出现短路的情况。

那么我们如何可以让示波器测量 220V 交流电呢？

我们可以将示波器接线头的地线 “去掉” ，不让示波器的地与真正的大地连接起来，那么示波器就可以直接测量 220V 交流电，
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但是注意！因为示波器的外壳是与表笔的地相连的，实际上这时候表笔的地也就是“热地”，这样做会导致示波器外壳带电，有安全隐患。
我们也可以使用隔离变压器，将被检测设备隔离。
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但是这种方式属于 “浮地” 测试，也有一定的安全隐患。
最安全的方式，应该是采用高压差分探头，可以直接测量，但是他也有个缺点，就是探头比较贵= =！

所以使用示波器测量 220V 交流电，大家可以根据自己的实际情况选择合适的方法，但是一定要注意安全。