電気回路

GNDとは？なぜ基準点が必要なのか？

シリーズ：基礎シリーズ（電気回路）
この記事の役割：実験シリーズで外部機器（外付けLED、USB-UART、センサ、サーボ等）をつなぐ前に、GNDでつまずかないようにする。

※評価ボード“単体”のLED点滅はGNDを意識しなくても動くことが多いですが、外部とつなぐと急に重要になります。

はじめに

初心者の実験で多いトラブルのひとつが、信号線はつないだのに動かないという現象です。
原因の多くは「GNDをつないでいない（共通にしていない）」ことです。
この記事では、GNDをむずかしい用語で覚えるのではなく、

  • GNDは何のためにあるのか
  • なぜ「共通」にする必要があるのか
  • つないでいないとどうなるのか

を、実験に直結する形で整理します。

先に結論（※ここは読み飛ばしてOK）

  • GNDは「0Vとみなす基準点」です
  • 同時に、電気が戻るための「戻り道（帰り道）」でもあります
  • 外部機器とつなぐときは、基本として GND同士をつないで共通にする必要があります
  • 動かないときは、まず GNDがつながっているかを疑うと早いです

1. GNDは「0Vとみなす基準点」

前の記事で、電圧は「2点間の差」だと説明しました。
ただ、回路の中で毎回「どことどこの差が何Vです」と言うのは大変です。
そこで、回路の中に 基準になる点を1つ決めて、そこを 0V（基準） として考えることが多いです。
この「基準の点」を GND（グランド） と呼びます。

例えば、

  • 乾電池なら「−側」を0Vとして考えることが多い
  • マイコンボードなら「GNDピン」が0Vの基準

というイメージです。

GNDが決まると、「ここは3.3V」「ここは5V」などの話ができるようになります。

2. GNDは「電気の戻り道（帰り道）」

電流は「行って帰ってくる（行き（＋側）と帰り（−側））」ことで初めて流れます。
GNDは、ふだん マイナス側（−側） として使われることが多く、電気が戻ってくるための「帰り道」になります。
2つの機器をつなぐときも同じで、片方だけつないでも回路が1周できず、うまく動かないことがあります。
だから、機器同士をつなぐときは GND同士もつないで“帰り道”を作るのが基本です。

3. 「共通GND」が必要になるのはどんなとき？

評価ボード単体で動かしている間は、GNDをあまり意識しなくても問題が出にくいです。
しかし、評価ボードと外部の機器をつなぐと、GNDを共通にしないと動かない／不安定になることがよくあります。

ここでは「どんなときに必要になるか」を、初心者向けにイメージで説明します。
※細かい端子名（TX/RX、SDA/SCLなど）は、実験シリーズで登場したタイミングで説明します。

例1：評価ボードとPCをケーブルでつないで通信するとき

PCと評価ボードの間で情報をやりとりしたい場合、
情報用の線だけでなく、GNDもつないで基準（戻り道）を共有する必要があります。
GNDがつながっていないと「何も反応しない」ことがあります。

例2：評価ボードにセンサをつないで値を読むとき

温度センサなどをつなぐときも、センサと評価ボードでGNDを共通にします。
GNDが共通でないと「値が変／ふらつく／認識しない」原因になります。

例3：サーボやモータを別電源で動かすとき（重要）

サーボやモータは電流が大きいので、電源を別にすることがあります。
ただし、評価ボードから制御する線をつなぐなら、
別電源のGNDと評価ボードのGNDを共通にする必要があります。
これがないと、うまく動かない／不安定になる原因になります。

4. 共通GNDにしないと、どうなる？

よくある症状は次の通りです。

  • PCとつないでも反応しない
  • センサの値がおかしい／ふらつく／たまにしか読めない
  • 外付けLEDが点かない
  • たまに動くが安定しない（再現しない）
  • ノイズが絡むとリセットや誤動作が起きることもある

「配線は合っているはずなのに動かない」とき、
原因がGNDのつなぎ忘れということがよくあります。

5. 初心者あるあるミス

  • データをやり取りする線だけつないで、GNDをつなぎ忘れる
    （例：PCやセンサにつないだのに、なぜか反応しない）
  • GNDだと思って、別の場所につないでしまう
    （例：ブレッドボードで1つ隣の穴に刺していた／GND列を取り違えた）
  • 別電源を使っているのに、電源どうしのGNDを共通にしていない
    （例：モータやサーボの電源を別にしたが、GNDをつないでいない）
  • 電源を入れたまま配線を差し替える
    一瞬でも変なつながりになり、動かない／不安定になる原因になります。

6. 実験前チェックリスト（これだけでOK）

外部の機器（PC、センサ、モータ/サーボなど）とつなぐ場合は、次の順で確認すると安全で確実です。

  1. まずGNDをつなぐ（共通にする）
    ※これがないと「動かない／不安定」の原因になります
  2. 次に電源（＋側）をつなぐ
    ※外部機器に必要な電圧が合っているかも確認する（3.3V/5Vなど）
  3. 最後に「情報をやりとりする線（制御の線）」をつなぐ
    ※この線の名前（通信線、制御線など）は実験シリーズで登場したときに説明します
  4. 動かないときは、まず GNDが本当に共通になっているかを確認する
    （ブレッドボードの刺し間違いが多い）
  5. 異常（熱い・匂い・不安定）があれば、いったん電源を外す
    原因探しは電源を外してから落ち着いて行う

まとめ

  • GNDは「0Vの基準点」であり「電気の戻り道」でもある
  • 外部機器とつなぐときは GNDを共通にするのが基本
  • 動かないときは、まずGNDの接続をチェックすると早い

次に読む（おすすめ順）

  • 実験シリーズ：評価ボードのLED点滅（GPIO）
  • 基礎：ブレッドボードの内部構造（刺し間違い対策）
  • 基礎：テスターの導通確認（GNDがつながっているか確認する）

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