Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение T-Duke » 05 апр 2017, 19:27

У меня эта тема возникала уже несколько раз. Проблема в том, что для питания цифровых осциллографов используют импульсные БП, со стандартными входными цепями. А заземление там подключено таким образом, что в некоторых случаях могут возникать проблемы. До сих пор решал я проблему развязки осцилла по старинке - с помощью развязывающего трансформатора 220/220. Однако у этого решения есть один серьезный недостаток - а именно необходимость в довольно габаритном развязывающем трансформаторе. Порой транс 220/220 проблематично найти и тогда используют два одинаковые транса включенные вторичными обмотками вместе.

Но мне такое решение перестало нравиться. По той причине, что импульсный БП осциллографа, уже предоставляет гальваническую развязку осциллографа от сети. Но вследствие особенностей подключения контура заземления к плате осциллографа, родной гальванической развязкой воспользоваться не удается.

Для того чтобы было понятнее о чем речь, приведу схему БП, довольно распространенного цифрового осциллографа:

pwr.png


Основная проблема, которая кроется в невозможности работы осциллографа без развязывающего трансформатора, сосредоточена в том, что провод заземления из разъема питания P1 (3 контакт) подключен к земле осциллографа. Это делает невозможным включение крокодила щупа в неземляные точки исследуемой схемы. То есть если попытаться использовать заземленный осциллограф для исследования работы тоже заземленного устройства, то крокодил осциллографа можно подключать только к земле и больше никуда, если в схеме внутри, нет гальванической развязки.

Во многих случаях, проблему можно решить просто используя для питания осциллографа розетку в которой нет заземления. Тогда земля осциллографа не будет связана со землей исследуемого устройства. Но даже если устройство и осциллограф, питается от розетки без заземления, но через общий удлиннитель, тогда земли осциллографа и устройства оказываются соединенными через контакт в удлинителе. Короче одни проблемы с этой землей.

Если запитать осциллограф от развязывающего трансформатора, тогда земля не подключается никуда и проблемы общих земель исчезают. Но тогда встает вопрос - зачем такая избыточность? Ведь ИБП осциллографа и так обеспечивает гальваническую развязку. Проблема ведь только в землях. Самое простое решение - это не использовать развязывающий трансформатор, потому что такой уже используется внутри БП осциллографа. Решение - просто отключить землю от корпуса осциллографа. Оно равноценно применению дополнительного развязывающего трансформатора. Отключили землю и все проблемы исчезли.

Но все ли проблемы исчезли?

Чтобы разобраться нужно понять зачем нужно заземление. Корпуса приборов заземляют по соображению электробезопасности. Это обычная мера для приборов внутри корпуса которых существует сетевое напряжение. Если корпус прибора заземлен, то при замыкании корпуса на сетевой фазный провод, произойдет короткое замыкание фазы на землю и сработает предохранитель или пакетник. Если же корпус не заземлен, то на нем может находиться сетевое напряжение и при касании человека ко корпусу, в неблагоприятных условиях (контакт человека тем, или иным образом со землей) может произойти поражение током.

Однако, здесь есть одно но. Заземлять по сути нужно горячую часть устройства, то есть высоковольтную часть, которая схемотехнически находится до разделяющего трансформатора. Ибо вторичная часть, после разделяющего трансформатора уже не имеет связи со сетью питания. Кроме того можно найти в продаже целый класс устройств, чаще всего это БП и зарядные устройства, у которых вовсе нет заземления. Шнур питания таких устройств имеет только два провода и земли нет вовсе. И ничего, все себе работает прекрасно, так как сеть и выход такого БП разделены гальванически.

Тогда возникает большой вопрос - за каким непонятным пнем, в осциллографах заземляют вторичную часть БП? То есть зачем заземлять уже гальванически развязанную часть схемы? Самый первый пришедший в голову ответ здесь - для того, чтобы при исследовании с помощью осциллографа высоковольтных схем иметь некоторую защиту. Только вот так ли это на самом деле? Корпуса цифровых осциллографов пластиковые. Кнопки, крутилки тоже пластиковые.

Возникает снова вопрос - ЗАЧЕМ заземлять вторичную сторону БП, которая уже гальванически отвязана от БП? Зачем? Что заземлять там? Пластиковый корпус? Как на нем окажется сетевое напряжение? Каким образом? Мало того, если мы заземлим вторичную часть осциллографа, то разъемы щупов осциллографа, оплетка щупов и сами крокодилы, окажутся заземленными. И тогда если человек коснется крокодила щупа, или разъема кабеля щупа одной рукой и коснется ВВ части схемы другой рукой, получи гарантированный удар током. Вот нахрена заземлять плату осциллографа?

Кто, что думает? Для тех, кто меня не знает, прошу сразу воздержаться от очевидных отсылов в госты и прочую бумажную ерунду. Потому что вопрос с подвохом. Я редко задаю вопросы и задавая, уже знаю большую часть ответа, просто на всякий сверяюсь, может пропустил чего.

Итак повторю вопрос - ЗАЧЕМ заземлять плату осциллографа, который питается уже от ИЗОЛИРОВАННОГО блока питания. Если заземлять корпус БП внутри осциллографа, я еще пойму. Но зачем заземлять общий осциллографа у которого весь корпус пластиковый, кнопки, крутилки тоже пластиковые и питается осциллограф от изолированного источника питания? Вопрос с подвохом, посему интересует ответ знатоков, уже разбиравшихся в нем.


О дифференциальных пробниках я знаю. Но это не решение. Об осциллографах с изолированными каналами тоже. И про то, что более правильно отвязывать от сети исследуемое устройство, а не осцилл, я тоже знаю. Главный вопрос здесь - ЗАЧЕМ земля пластиковому осциллографу? Зачем козе баян?

ЗЫ
Развивая тему об изоляции именно осциллографа, я хочу все подвести к ненужности заземления собственно платы осциллографа, а только горячей части БП. Хотя в случае подключения осциллографа через внешний развязывающий транс, заземления уже нет никакого вообще. Я считаю что заземление платы цифрового осцилла, питающегося от изолированного БП - ненужность при работе с напряжениями до 400В, при аккуратности до 600В. Кто думает иначе?
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

AnSm

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение AnSm » 06 апр 2017, 04:06

Предположение. При пластиковых корпусах заземление это типа защита вторичных цепей от статического напряжения на пластиковой коробке возникающее от трения пластика обо что либо. И куда эта статика стечет без земли непонятно. Вполне возможно что на входный цепи. А там куда кривая случая вывезет.
Второе предположение
Заземляют на случай нарушения межобмоточной изоляции трансформатора ибп. Хотя это ну очень редкий случай.
Третье предположение. Всевозможные наводки из за которых бывает искажение исследуемого сигнала. Особенно низковольтного.

sidor094
Реальное имя: сергей
Откуда: москва

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение sidor094 » 06 апр 2017, 06:58

Отрыв от земли проблему не решает. Почти во всех импульсниках землятся через кондеры (здесь С3,С4).Через них входная часть связана с выходной.Причины установки этих кондеров не знаю.Вроде от помех в сеть,но не уверен.Выкинте их и все развяжется.Проверено(правда не на осциллографе).Осциллограф сам использую через развязывающий транс.Внутрь лезть желания нет.Было ,что при проверке импульсного блока питания выбивало автоматы при подключении осциллографа

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение T-Duke » 06 апр 2017, 07:36

sidor094 писал(а):Источник цитаты Почти во всех импульсниках землятся через кондеры (здесь С3,С4).Через них входная часть связана с выходной.Причины установки этих кондеров не знаю.
Мне причина их установки известна. Зачем они там и что делают. Чуть позже опишу все, вместе с решением проблемы. Подожду еще чуток. Пока по совету опытных людей изучаю дополнительную буржуйскую информацию о граундинге и шилдинге, хочу понять нет ли нюансов о которых я не знаю.

sidor094 писал(а):Источник цитаты Выкинте их и все развяжется.

К этому я и подвожу. На самом деле я уже так делал полгода назад. Только вот помехозащищенность ухудшилась. Есть решение без выбрасывания этих конденсаторов. Просто сверяюсь с мануалами по EMI совместимости, вдруг что-то упускаю.

AnSm писал(а):Источник цитаты Заземляют на случай нарушения межобмоточной изоляции трансформатора ибп. Хотя это ну очень редкий случай.
Практически невозможный. И в таком случае погорят компоненты на вторичной стороне и закоротят собой все, в результате выгорит предохранитель.

AnSm писал(а):Источник цитаты Третье предположение. Всевозможные наводки из за которых бывает искажение исследуемого сигнала. Особенно низковольтного.

Вот тут отчасти правда. Но. Это не дает ответ, почему отвязанный через разделительный транс осцилл, уже без заземления нормально работает. Но на счет наводок правильное направление поиска. А там есть некоторые нюансы.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

sidor094
Реальное имя: сергей
Откуда: москва

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение sidor094 » 06 апр 2017, 07:43

Подожду.Вопрос актуальный.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение T-Duke » 06 апр 2017, 09:18

Ладно, пока переработаю буржуйские тексты по EMI опишу детальнее что делают те два конденсатора и почему на мой взгляд применено такое извращенное решение, производителями.

Входные цепи и фильтр образованный из L1,C1,C2,C3,C4 служит для двух целей - не пустить импульсные помехи из БП в сеть и не пустить помехи из сети в БП. Помехи бывают симметричные - противофазные, или дифференциальные - это когда помеха распространяется по двум проводам - фазе и нейтрали как дифференциальный сигнал и несимметричные, или синфазные, когда помеха распространяется по одному, или двум проводам относительно заземления - по фазе, или по нейтрали, или по обеим, относительно земляного провода. Самые легко подавляемые помехи - симметричные. Они вызывают наименьшую головную боль.

Симметричные помехи, хорошо давит цепь L1,C1,C2 и ее бы хватало, если бы не присутствие несимметричных помех. Для их подавления ставят дополнительно C3,C4 и вместе с L1 они образуют два LC фильтра нижних частот, относительно земли. Один для фазного провода (левая по схеме катушка L1 и C4), другой для нейтрального (правая по схеме катушка L1 и C3). Как симметричные, так и несимметричные помехи возникают в ключевом каскаде импульсного БП. Именно коммутационные всплески на индуктивности рассеяния трансформатора и создают все проблемы. Ключевой каскад является сильным источником помех. Симметричные помехи хорошо давит дифференциальный фильтр второго порядка, на L1,C1,C2. А вот несимметричные помехи он не может сильно подавить. Поэтому требуется еще и несимметричный фильтр. Его получают добавляя емкости C3,C4 к индуктивности L1. В этом случае получаем два несимметричных фильтра, один для фазного провода (левая обмотка L1 и C4), второй для провода нейтрали (правая обмотка L1 и C3). Для того чтобы конденсаторы С3, С4 подавляли несимметричные помехи они дожны включаться на общий провод, который заземляется. По логике вещей следует подключить все к земле горячей части БП. Но стандартным является включение, когда конденсаторы включают на землю вторичной части БП, а не на землю горячей части. Почему это так, разберемся позже. А пока разберем более логичный вариант включения конденсаторов и провода заземления:

pwr2.png


Как видим провод заземления подключен к общему горячей части БП и все помехи которые могут выходить из БП, давятся фильтром L1,C3,C4. Так же и входящие помехи, аналогично давятся этим же фильтром. При таком включении конденсаторов фильтра, никаких проблем бы не возникало. Питание полностью изолировано и никакой связи между фазным и нейтральным проводом и землей вторичной части схемы бы не было. Подключение крокодила осциллографа к любой части схемы не создавало бы никаких проблем.

Однако есть один подводный камень. Если бы не он, все было бы превосходно и не приходилось бы использовать то извращенное решение когда конденсаторы включают на общий вторичной части БП. Может кто-то уже подозревает о каком подводном камне речь? :)

И да. Хочу заметить, что эти извращенные цепи с конденсаторами на землю вторичной части специально спроектированы для работы в трехпроводной сети, когда есть заземление в розетке. Когда заземления нет, тогда все превращается в пшик. На земле появляется переменка с частотой сети. К счастью емкость конденсаторов небольшая, что дает большое реактивное сопротивление и опасности нет, но если дотронуться до земли осцилла и до батареи, будет неприятное покалывание. Кстати это же самое и с компьютерами и прочими устройствами специально спроектированными для работы со заземлением. Если заземления нет, или оно пропадает, все превращается в медвежью услугу. Фильтр да - он-то работает пусть частично. Хоть и нет земли от сетевой розетки, но фильтр продолжает давить несимметричные помехи источником которых является силовой транзистор БП. Но на земле теперь есть потенциал сети, хоть и нет прямой гальванической связи, но переменный ток некоторой величины есть. И если ткнуться таким осциллом в схему, то минимум схема начнет работать нехорошо. Появляются помехи как минимум. А в максимуме, схема может начать сходить с ума или вообще ножки протянуть.

Короче я такое решение с фильтрами считаю извращенным. И да, тут еще один фактор есть. В качестве конденсаторов C3,C4 ОБЯЗАТЕЛЬНО должны использоваться кондеи категории Y1 или Y2. И как раз по причине того, что они включены на землю вторичной части БП. Потому что если произойдет пробой такого кондея, тогда на земле вторичной части может оказаться фаза. А это чревато. Поэтому в качестве кондеев С3,С4 используются спецконденсаторы с высоким пробивным напряжением до 8кВ, чтобы даже сильные всплески напряжения в сети не могли пробить конденсатор, чтобы не случилось непоправимое.

Короче столько извращений из-за одного подводного камня и стремления все удешевить. Я считаю именно это причиной извращенного включения С3,С4 на вторичную землю. Производителям не хотелось немного удорожать БП и они решили подключить сетевые провода ко вторичной земле, пусть даже ценой риска. Ввели обязательное использование кондеев типа Y1,Y2. Им то конечно дешевле, два высоковольтных спецкондея и все. Но меня такое решение в корне не устраивает. Лучше я чуть доработаю схему, чем буду использовать это извращение, которое к тому же нормально работает только со заземлением.

Лично я собираюсь перейти на измененный вариант БП и переключить конденсаторы С3,С4 со вторичной земли на горячую землю, как показано на рисунке. А с подводным камнем бороться по другому.
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

sidor094
Реальное имя: сергей
Откуда: москва

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение sidor094 » 06 апр 2017, 10:26

T-Duke писал(а):Источник цитаты Хочу заметить, что эти извращенные цепи с конденсаторами на землю вторичной части специально спроектированы для работы в трехпроводной сети, когда есть заземление в розетке.
Все было бы так если бы даже в двухпроводной схеме ставится кондер 1нф с выходной земли на входную(после выпрямительных диодов).Возьмите любую стандартную схему на ТОПСВИЧАХ.Хотя для работы схемы они не нужны.

Отправлено спустя 7 минут 19 секунд:
topswitch-1.jpg
Вот нашел пример.
Кстати обратите внимание на конденсатор С1 на 250 вольт.Они в блоках питания всегда какие-то прямоугольные.Что за тип?И какие параметры от них требуются?
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение T-Duke » 06 апр 2017, 10:36

sidor094 писал(а):Источник цитаты Все было бы так если бы даже в двухпроводной схеме ставится кондер 1нф с выходной земли на входную
Это как раз и есть примитивное решение проблемы с подводным камнем. Я считаю не только примитивное, но и глупое. Хотя скорее не от глупости, а от жадности.

Это и есть проблема подводного камня. Догадываетесь, зачем ставят этот конденсатор?
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

sidor094
Реальное имя: сергей
Откуда: москва

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение sidor094 » 06 апр 2017, 10:40

Нет.Не догадываюсь

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Гальваническая развязка цифровых осциллографов.

Сообщение T-Duke » 06 апр 2017, 11:15

Ну как же? Это же основа в импульсных устройствах. Ключ работающий с крутыми фронтами нужно обязательно шунтировать как минимум емкостью. От стока к истоку. Иначе получим существенные выбросы на стоке и сильные помехи. Простое решение в приведенной выше схеме - это включить конденсатор параллельно истоку-стоку ключа. И это работает. Включение конденсатора, сильно уменьшает иголки помех переключения. Но тут и всплывает подводный камень - проходная емкость трансформатора. Любой транс имеет межобмоточную емкость. Поэтому транс прозрачен для коротких импульсов помех. Кроме того тут еще и индуктивность рассеяния мешает. Используя конденсатор как на схеме выше, они решают две проблемы сразу - давят собственно помехи возникающие в ключе и схеме на всех паразитных индуктивностях (в том числе и индуктивности рассеяния) и давят помехи, которые просочились сквозь проходную емкость транса.

Следует заметить, что это менее эффективно чем давить помехи по отдельности - на ключе и на вторичной стороне транса. Зато это дешево. Кроме того в этой схеме не вводится заземление в среднюю точку фильтра. Там даже нет двух конденсаторов для подавления синфазных помех. Просто потому что БП маломощный. И именно этот блок питания не создаст проблем, в отличие от БП, который применяется для питания осцилла. Там БП помощнее и у него уже есть конденсаторы С3,С4 которые и создают эти проблемы.

И включены они на вторичную землю по той же причине - проходная емкость транса. И я планирую устранить это извращение, переделав схему по своему. Бороться с помехами отдельно на сетевой стороне и на вторичной. Да, это требует компонентов доплнительных для фильтрации, удорожает прибор в массовом производстве, зато решает проблему с полной отвязкой осцилла от сети, без дополнительных развязывающих трансов. И кроме того я буду уверен что в осцилле у меня вторичная сторона связана с первичной только через транс. И нет больше никаких иных путей, вроде С3,С4, пусть даже Y типа.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.


Вернуться в «Измерительные инструменты»