Две батареи делят землю?

Вы не только можете делить территорию — совместное использование территории требуется для того, чтобы существовала какая-либо значимая цепь для передачи сигналов по территории.

Чтобы скопировать и вставить сообщение в блоге, которое я написал некоторое время назад :

На форумах Arduino мы часто получаем вопросы о соединении элементов. Один из распространенных форматов:

Я хочу подключить светодиодную ленту с питанием 12 В к плате Arduino, но не могу заставить ее обмениваться данными. Я проверил все соединения, и они кажутся нормальными. У меня есть источник питания 12 В для светодиодов, а Arduino питается от компьютера.

И в 9 случаях из 10 мы должны задать первый вопрос в ответ:

Соединили ли вы площадки вместе?

Угадайте, что обычно на это отвечают? Ага:

Нет, нужно? И не опасно ли подключать землю 12 В к земле Arduino 5 В?

Это само по себе свидетельствует о фундаментальном недостатке знаний о том, что такое «земля». Итак, давайте начнем с прояснения этого:

Технически заземление — это просто имя, данное точке вашей цепи. Эта точка является выбранной вами точкой, относительно которой измеряются все остальные напряжения в цепи. Часто это точка с наименьшим потенциалом, например сторона аккумулятора или подключение источника питания. Или он может быть выбран за вас, например, сигнал заземления от USB-подключения к вашему компьютеру.

Вывод 5 В Arduino на самом деле не 5 В, а 5 В относительно контакта заземления. Точно так же вы можете переименовать контакт 5V в Ground, и то, что было контактом заземления, станет -5V по отношению к [новому] заземлению.

Поэтому заземление должно быть единственной точкой вашей цепи, относительно которой все напряжения «имеют смысл».

Давайте посмотрим на типичную схему исходного вопроса. Arduino, подключенный к какому-либо устройству на 12 В (например, некоторым светодиодам на 12 В):

Здесь вы можете увидеть Arduino, подключенную, например, к зарядному устройству USB на 5 В. Это может быть батарея или порт USB на вашем компьютере. Это не имеет значения. К нему подключено устройство на 12 В, которое затем имеет собственный источник питания на 12 В. В настоящее время. Где в этой цепи заземление?

Вывод 5 В Arduino соответствует напряжению 5 В относительно контакта заземления Arduino. Таким образом, с точки зрения Arduino земля на изображении выше является нижней линией цепи питания Arduino (зарядное устройство -). Однако 12В внешней цепи равно 12В по отношению к - стороне блока питания 12В. Итак, если смотреть с точки зрения устройства на 12 В, земля — это нижняя сторона цепи 12 В — соединение «БП-».

Звучит неплохо, не так ли? Мощность каждого устройства соответствует источнику питания, от которого оно работает. Что касается этого, конечно. Однако взгляните на сигнал данных, идущий от Arduino к устройству 12 В. Какое это напряжение?

Ну, с точки зрения Arduino, по отношению к его земле, поскольку он генерирует сигнал, это сигнал 5 В. Но как насчет того, что видит 12-вольтовое устройство? Какое напряжение имеет этот сигнал относительно земли цепи 12 В?

Учитывая, что напряжения не являются абсолютными — они относятся только к опорной точке в пределах одной и той же цепи, невозможно узнать, какое там напряжение.

Однако здесь есть нечто более фундаментальное, что может помочь вам понять это еще лучше. На изображении выше есть две красные стрелки в петлях. Это поток тока вокруг цепи (показанный как обычный ток). Ключевая фраза там вокруг цепи. Ток должен выходить из источника через цепь и возвращаться к источнику, откуда он пришел.

В схеме выше ток может течь от 5 В через Arduino и снова возвращаться к 5 В, потому что там есть полный цикл. Точно так же существует петля от источника 12 В через устройство 12 В и снова к источнику 12 В. А вот для сигнала от Ардуино к устройству 12В такого шлейфа нет. Если мы думаем о выходном контакте Arduino как о небольшом источнике питания, то действительно должен быть какой-то способ, чтобы ток выходил из Arduino через все, к чему он подключен, а затем снова возвращался к Arduino. В этой схеме это невозможно.

Итак, вы соединяете основания. Как только вы это сделаете, многое начнет происходить. Давайте сделаем это сейчас и посмотрим, как выглядит схема:

Земля теперь соединена зеленым проводом внизу. Сразу же мы видим, что появилась петля, в которой ток от контакта ввода-вывода может течь через устройство 12 В, из заземления устройства, по зеленому проводу и обратно через заземление Arduino.

На самом деле петля является ответвлением от петли питания 5 В. Ток идет от 5 В в Arduino, где он разделяется, часть для запуска Arduino и часть из вывода ввода-вывода. Оттуда он проходит через устройство 12 В вниз к земле, затем присоединяется к току, вытекающему из земли Arduino, чтобы вернуться к источнику питания 5 В. Тем не менее, полезно думать о дискретных петлях, чтобы вы могли лучше понять, как земля вписывается в вещи.

Кроме того, теперь, поскольку земля участка 5 В и земля участка 12 В являются одним и тем же (на схеме все точки вдоль линии являются одной и той же точкой), любые сигналы, генерируемые со стороны 5 В, распознаются сторона 12 В как 5 В, поскольку опорная точка (земля) одинакова для каждой точки цепи.

Но разве это не опасно?

Абсолютно нет. Это не только не опасно, но и безопаснее, чем не соединять земли вместе. Поскольку теперь вся схема имеет единое базовое напряжение для ссылки на все, от 12 В до 12 В и 5 В до 5 В. Без этой связи разница напряжений между землей на стороне 5 В и 12 В на стороне 12 В потенциально может составлять многие сотни вольт (особенно, когда расстояния между двумя точками велики). Для полностью изолированных систем, таких как устройства с батарейным питанием, это не проблема. Хотя для чего-либо, использующего источники питания, это может быть довольно опасно. И это подводит меня к следующему пункту — небольшой вариации вопроса:

Я построил схему с устройством на 12 В, питаемым от источника питания, которым управляет мой Arduino. Все работает хорошо. Но как только я запускаю Arduino от батареи, а не от компьютера, она перестает работать.

Это классический случай, когда площадки не были соединены между собой пользователем, но существует другой путь, соединяющий площадки вместе. Чаще всего это заземляющее соединение компьютера и заземляющее соединение источника питания, соединенные вместе через домашнюю проводку:

Как видите, текущая петля все еще существует, просто она занимает более длинный маршрут. Как только вы отключите Arduino от компьютера и запитаете его от батареек или источника питания, не подключенного к земле, нижняя часть этой петли полностью исчезнет, и вы вернетесь к исходной схеме только с двумя петлями. И он перестает работать.

Однако соедините заземление вручную, и вы восстановите эту часть контура, и все снова заработает.

Итак, вот оно. Если в вашем проекте есть несколько источников питания, какими бы они ни были (за исключением особых обстоятельств), вы должны соединить земли вместе, чтобы он работал. Если это работает без соединения заземления, то вы непреднамеренно полагаетесь на некоторые ранее существовавшие заземления, которые сделают всю работу за вас, и это, вероятно, не удастся, если ваша настройка когда-либо изменится.