GNDとは？サーボやセンサーに共通グラウンドが必要な理由

GNDとは何かを簡単にいうと、回路内のすべての電圧を測る基準になる0ボルトの基準点です。名前は「ground」に由来し、コモン、シャーシ、単にマイナス側と呼ばれることもあります。Arduinoの5Vピンは、正確には「GNDに対して5ボルト」という意味です。センサーの2.5 V出力も、GNDを基準にして初めて意味を持ちます。サーボの震え、センサーの異常な測定値、ボードが勝手にリセットするといった初心者が遭遇する不可解な不具合の多くは、実は1本の配線、つまり共通グラウンドの欠落が原因です。

この記事では、GNDが「基準」である理由を簡単なたとえで説明し、外部電源を使うときの正しいグラウンドのつなぎ方を紹介します。グラウンドループやノイズが生じる理由を数値で解説し、一点アースでモーターとセンサーのグラウンド経路を分ける方法も説明します。回路のGNDとコンセントのアースの違いや、グラウンドを意図的に分離しておく場合も取り上げます。ボードへの電源供給の基本は、Arduinoの電源の取り方を参照してください。

GNDとは？電圧を2点間で測る理由

電圧は1つの点だけで決まる性質ではなく、2点間の電位差です。高さにたとえると分かりやすくなります。テーブルの「高さが80 cm」と言うとき、無意識に床を基準にしています。同じテーブルを建物の10階に置けば、海面からの高さは30メートルを超えます。電子回路でこの「床」にあたるのがGNDです。テスターの黒いテスト棒をGND、赤いテスト棒を測定する点に当てると、GNDを基準にしたその点の電圧が表示されます。黒いテスト棒を別の場所に当てれば、同じ点でもまったく違う値になります。回路で「5 V」と言うときは、常に「この回路のGNDを基準に」という意味が含まれています。

共通グラウンドが必要な理由

Arduinoがサーボやモジュールへ信号を送るとき、実際には「自分のGNDを基準に、このピンは5 Vです」と伝えています。受信側はその信号を自分のGNDを基準に読み取ります。2つの機器のグラウンドがつながっていなければ、共通の床がありません。サーボから見ると、Arduinoの5 Vは5 Vかもしれませんし、2 Vや-3 Vかもしれません。さらに基本的な問題もあります。電流は必ず閉じた経路を流れます。信号電流はArduinoのピンを出て、受信側の入力を通り、GNDを経由して戻る必要があります。戻る経路がなければ、信号が正しく成立しないか、配線がアンテナのように働いてノイズを拾います。つまり、2つの機器が信号をやり取りするなら、グラウンド同士をつなぐ必要があります。

外部電源とArduino：グラウンドのつなぎ方

よくある例は、サーボ、モーター、LEDテープの消費電流がArduinoから供給できる電流を超えるため、別のACアダプターで給電する場合です。正しい配線では、グラウンド同士だけをつなぎ、プラス側の配線は分けておきます。こうすると、負荷電流は外部電源から供給されてそこへ戻り、Arduinoは信号だけを送ります。下の表は、外部の5 V ACアダプターでMG996Rサーボを動かす配線です。同じ考え方が、12 VのLEDテープを駆動するMOSFETやモータードライバボードにも当てはまります。

1// Harici 5 V ile servo, ortak GND / servo on an external 5 V supply, common GND
2#include <Servo.h>
3
4const int SERVO_PIN = 9;   // turuncu sinyal kablosu / orange signal wire
5Servo servo;
6
7void setup() {
8  servo.attach(SERVO_PIN);
9}
10
11void loop() {
12  for (int a = 0; a <= 180; a += 2) {   // 0 -> 180 derece / degrees
13    servo.write(a);
14    delay(15);
15  }
16  for (int a = 180; a >= 0; a -= 2) {   // 180 -> 0 derece / degrees
17    servo.write(a);
18    delay(15);
19  }
20}

実際によくある不具合：「サーボが動かない」「センサーの値がおかしい」

この表で特に原因が分かりにくいのは、モーター始動時にArduinoがリセットする不具合です。配線が「正しく」見えるためです。詳しいトラブルシューティングには、Arduinoがリセットを繰り返すときの手順も役立ちます。ESP32では、同じ問題が通常ブラウンアウトのメッセージとして現れます。

グラウンドループとノイズ：GND配線にも抵抗がある

回路図ではGNDが1本の線で描かれるため、どこでも正確に0 Vだと思いがちです。しかし実際には、ブレッドボードの接点、ジャンパーワイヤー、はんだ接合部には、いずれも多少の抵抗があります。ここでもオームの法則は例外なく働きます。V = I × Rです。2 Aのモーターの戻り電流が、合計抵抗0.1 ΩのGND配線を流れると、その配線の両端に0.2 Vの電位差が生じます。アナログセンサーがその配線を共用していると、センサーの「0 V」が0.2 V持ち上がります。Arduino Unoの10ビットADCでは、約41カウントの誤差です（0.2 / 5 × 1023）。モーターをPWMで駆動すると、このずれが毎秒数百回変動し、測定値が飛び跳ねるようになります。

グラウンドループは、2つの機器間にGNDの経路が複数あると生じます。例えば、ArduinoをUSBでパソコンにつなぎ、さらに別の配線で接地された電源にもつなぐと、グラウンド電流が2つの異なる経路を循環することがあります。この閉じた輪がアンテナのように働き、周囲の磁界を拾います。その結果、オーディオ回路でハム音が聞こえたり、測定値に50 Hzまたは60 Hzのリップルが現れたりします。対処法はGNDを切断することではなく、経路を1つだけにして、大電流と微小信号が配線を共用しないようにすることです。

一点アース：モーターとセンサーのグラウンド経路を分ける

一点アースとは、GND配線を数珠つなぎにせず、すべて1つの中心点に集める方法です。モーターの大電流は、専用の太い配線を通って電源のマイナス端子に戻します。一方、Arduino、センサー、信号回路のグラウンドは、それぞれ別の細い配線で同じ中心点につなぎます。こうすると、モーター電流による電圧降下はモーター用配線の中だけで生じ、センサーの基準がずれません。実際には、次の手順で配線します。

1. 電源のマイナス端子、またはねじ端子を一点アースの接続点にします。
2. モータードライバ（L298N、MOSFET、リレーコイル）のGNDを、短く太い配線でその点に直接つなぎます。
3. ArduinoのGNDは、別の配線で同じ点につなぎます。モータードライバのGNDを経由させないでください。
4. アナログセンサーのグラウンドはArduinoのGNDピンにつなぎ、センサーとADCで同じ基準を共有します。
5. モーターの端子間に100 nFのセラミックコンデンサ、ドライバの電源入力に100〜470 µFの電解コンデンサを追加します。
6. モーターの配線と信号線はできるだけ離し、各モーターの配線をそれぞれより合わせます。

ノイズを測る：Arduinoで行う簡単なGNDテスト

グラウンドの配線が適切かどうかは、推測せずに測定できます。5VとGNDの間に10 kΩの抵抗2本で分圧回路を作り、その中点をA0につなぎます。この点は安定した2.5 Vになるはずです。以下のコードはA0を連続して200回読み取り、最大値と最小値の差をピーク・ツー・ピークノイズとしてミリボルト単位で出力します。まずモーターを止めて測定し、次に動かして測定します。その後、GND配線を一点アースに組み替えて、もう一度測定してください。

1// Basit GND gürültü ölçer / simple ground noise meter
2const int SENSOR_PIN = A0;   // ölçülen sinyal / signal under test
3const int SAMPLES = 200;     // yaklaşık 22 ms'lik örnek / about 22 ms of samples
4const float VREF = 5.0;      // Uno ADC referansı / Uno ADC reference
5
6void setup() {
7  Serial.begin(115200);
8}
9
10void loop() {
11  int minV = 1023, maxV = 0;
12  long sum = 0;
13  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
14    int v = analogRead(SENSOR_PIN);
15    if (v < minV) minV = v;
16    if (v > maxV) maxV = v;
17    sum += v;
18  }
19  float avgVolt = sum / (float)SAMPLES * VREF / 1023.0;
20  float ripplemV = (maxV - minV) * VREF / 1023.0 * 1000.0;   // tepe-tepe / peak-to-peak
21
22  Serial.print("ortalama / average: ");
23  Serial.print(avgVolt, 3);
24  Serial.print(" V   tepe-tepe / peak-to-peak: ");
25  Serial.print(ripplemV, 0);
26  Serial.println(" mV");
27  delay(500);
28}

適切に組まれた回路では、ピーク・ツー・ピークノイズはADCの約1〜2カウント、つまり5〜10 mVです。モーターを動かしたときに50 mVを超えるなら、どこかの配線がモーターとGND経路を共用しています。200 mV以上なら、GNDの接続が緩い、モーター電流がブレッドボードを流れている、外部電源のGNDがそもそも接続されていない、といった原因が考えられます。この簡単なテストで、「センサーの値がおかしい」原因の多くが、センサーではなくグラウンドの配線にあることを数分で確認できます。

グラウンドを意図的に分離するのはどんな場合？

「グラウンドはすべてつなぐ」という原則の唯一の例外が、絶縁です。フォトカプラやリレーは光や磁界で信号を伝え、両側の間に電気的な接続を作りません。この場合、両側のグラウンドは意図的に分けておきます。一方はArduino側、もう一方は商用電源側やノイズの多いモーター側です。JD-VCCジャンパー付きのリレーモジュールでは、ジャンパーを外してコイルを別電源で動かすとき、その電源のGNDはArduinoにつなぎません。それこそが絶縁の目的です。詳しくは、フォトカプラとは？とリレーモジュールとは？を参照してください。絶縁がない場合、信号をやり取りする2つの回路には、必ず共通のGNDが必要です。

商用電源のアースと回路のGNDは同じ？

同じではありません。コンセントの緑／黄色の配線は保護接地で、実際に地中に埋めた電極につながっています。目的は安全の確保です。電源の活線が金属製機器のケースに触れると、この経路に電流が流れ、ヒューズや漏電遮断器が回路を遮断します。Arduino回路のGNDは、あくまでその回路自身の基準です。電池やACアダプターで動くプロジェクトでは、大地とまったくつながっていません。一部のACアダプターやパソコンでは、回路のGNDが保護接地につながっていることがあり、グラウンドループの原因の1つになります。趣味の工作で、回路のGNDを商用電源の中性線や接地線に自分でつなごうとしないでください。

ESP32やPicoに5 Vモジュールをつなぐときの共通GND

ESP32とRaspberry Pi Picoは3.3 Vで動作するため、5 Vモジュールをつなぐときは、間にレベル変換モジュールを入れます。レベル変換モジュールには低電圧側（LV）と高電圧側（HV）にGNDピンがあり、両方をつなぐ必要があります。共通の基準があって初めて、両側の信号を変換できるためです。ESP32をUSBで動かし、12 VのLEDテープを別のACアダプターで動かす場合も同様です。MOSFETのソース、ACアダプターのマイナス端子、ESP32のGNDを1点でつなぐ必要があります。動作の仕組みは、レベル変換モジュールで解説しています。

GNDのチェックリスト

• 信号をやり取りする両方の機器のグラウンドはつながっていますか？
• 外部電源では、グラウンドだけをつなぎ、プラス側は分けていますか？
• モーター、リレー、LEDテープの電流は、ArduinoのGNDピンを通らずに電源へ戻っていますか？
• アナログセンサーは、モーター電流が流れないGND経路につながっていますか？
• GND配線は信号線より太く、できるだけ短くなっていますか？
• フォトカプラやJD-VCC付きリレーで絶縁する場合、両側は本当に分離されていますか？
• 不確かな場合は、テスターの導通（ブザー）モードでGNDの各点の接続を確認しましたか？

GNDは回路で最も目立たず、最も重要な配線です。正しくつながっていれば気にも留まりませんが、忘れるとすべてがうまく動かなくなります。テスターで導通を調べる方法が分からない場合は、テスターの使い方が役立ちます。BlueGraysアプリには、サーボモーター、L298Nを使ったロボットカー、障害物を避けるロボット、リレーで制御する230 Vランプ、スマート水やりなど、外部電源を必要とするプロジェクトがあります。それぞれに段階ごとの回路図とコードがあるので、図の中ですべてのGND接続をたどれます。