Zatem zanim przejdziemy dalej, uprzejmie uprasza się czytelników, zwłaszcza ekspertów, o wypicie przynajmniej jednego kufla melisy i trzymanie rąk z dala od klawiatur...
Elektryka prąd nie tyka, czyli o zagrożeniach
Z prądem nie ma żartów.
Przyjmuje się, iż opór ciała człowieka wynosi od 1kΩ do nawet 100kΩ. Wiemy też, jak przepływ prądu wpływa na człowieka. Pozwolę sobie zacytować fragment dokumentu Safe levels of current in the human body pochodzącego z zasobów Tynagh Network Systems.
| Prąd (mA) | Czas | Efekt |
| 0,2-1 | Bez znaczenia | Próg czucia |
| 10-15 | Minuty | Próg "samouwolnienia", skurcz mięśni |
| 30 | sekundy | Problemy oddechowe, limit "bezpieczeństwa" |
| 50 | <1s | Arytmia |
| 60 | <1s | Problemy oddechowe, nie da się oddychać |
| <60 | <1s | Migotanie serca, oparzenia elektryczne |
Przyjmując opór ciała na poziomie 1kΩ możemy obliczyć, iż napięcie powyżej 30V jest już niebezpieczne. W rzeczywistości sytuacja jest bardziej złożona, i górna granica bezpiecznego napięcia zależy zarówno od rodzaju tego napięcia, jak i od stanu skóry i powierzchni kontaktu między ciałem, a źródłem energii. Znalazłem taką oto poręczną tabelkę przedstawiającą zapis obowiązującej w Polsce normy:
| Rodzaj prądu | Wartość napięcia bezpiecznego (V) | ||
| Sucho | Wilgotno | Mokro | |
| Prąd zmienny(AC) | 50 | 25 | 12 |
| Prąd stały(DC) | 120 | 60 | 30 |
Wg. normy napięcia poniżej podanych wartości są uważane za bezpieczne. Dlaczego prąd zmienny ma niższe progi bezpieczne? Bo dla tych prądów izolacyjna warstwa naskórka zachowuje się jak dielektryk w kondensatorze, przez co reaktancja spada wraz ze wzrostem częstotliwości.
Powyżej 2kHz poziom odczuwanego bólu z powodu porażenia zaczyna spadać. Niektórzy, będący pod wrażeniem eksperymentów imć Tesli ze swoimi cewkami, oraz jego naśladowców wierzą (mylnie), iż chroni ich efekt naskórkowy. Sam też tak myślałem, ale jeden z naszych moderatorów wskazał mi mój błąd. Efekt ten polega na tym, iż wraz ze wzrostem częstotliwości głębokość penetracji prądu w przewodniku spada - dlatego w przetwornicach wysokiej częstotliwości trzeba czasem nawijać uzwojenia licą. I o ile w przypadku dobrego przewodnika tak jest, to dla ciała ludzkiego prądy o częstotliwości 100kHz-1MHz penetrują je na głębokość 24-72cm. Dlaczego? Bo im gorszy przewodnik, tym głębiej prąd może przepływać. Dlatego praca z prądami w paśmie radiowym jest jeszcze bardziej niebezpieczna - nie dość, że nie ma żadnej ochrony, to jeszcze możemy nie poczuć porażenia!
W razie porażenia należy ZAWSZE udać się do lekarza, gdyż każdy przepływ prądu może zaburzyć pracę serca nawet kilka godzin po porażeniu!
O tym, że nawet "bezpieczny" prąd jest niebezpieczny niech świadczy fakt, iż co roku kilka osób ginie po porażeniu Taserem używanym przez różne służby (zwłaszcza policyjne) na całym świecie. Tasery zależnie od modelu mają ograniczenie prądu na poziomie 2,1mA lub 3,6mA.
Pamiętajcie, napięcie kopie, ale prąd zabija. Dlatego z prądem nie ma żartów.
O uziemieniu i typach instalacji elektrycznej.
Uziemienie, zwane pomyłkowo masą, a bardziej fachowo przewodem ochronnym służy do ochrony przed przypadkowym porażeniem w razie uszkodzenia instalacji elektrycznej lub samego urządzenia. To, czy i jakie uziemienie mamy, zależy od rodzaju instalacji. Zanim przejdziemy do konkretów, ważna uwaga: przewód neutralny (N) jest ZAWSZE uziemiony w podstacji transformatorowej.
Instalacja dwuprzewodowa TN-C
Klasyk oszczędnego budownictwa PRLu. Do każdego gniazdka idą tylko przewód fazowy (L) i neutralny (w tym wypadku ochronno-neutralny oznaczony jako PEN, bo realizuje funkcję przewodu neutralnego N i ochronnego PE). Bolec uziemiający bywa łączony z przewodem neutralnym w gniazdku, choć ja się spotkałem z gniazdkami, gdzie bolec sobie "wisiał" niepodłączony do niczego. W razie przebicia między przewodem fazowym, a "uziemioną" obudową urządzenia jesteśmy bezpieczni, jeśli w gniazdku jest to połączenie między bolcem a przewodem PEN. Jak go nie ma, to na obudowie będzie pełne 230V. Jeśli gdziekolwiek między stacją transformatorową, a gniazdkiem przerwany zostanie przewód PEN, a w gniazdku jest połączenie między nim, a bolcem, to na obudowie też będziemy mieli 230V! Co więcej, jeśli przerwa nastąpi przed rozdzielnicą, to wszystkie urządzenia i każdy bolec uziemiający w każdym gniazdku będą pod napięciem 230V! A wszystko dlatego, że ktoś wpadł na "racjonalizatorski" pomysł uproszczenia instalacji elektrycznej i oszczędzenia na dodatkowym przewodzie.
Instalacja trójprzewodowa z przewodem ochronnym połączonym do neutralnego w obrębie domu/mieszkania/budynku TN-C-S
Sytuacja podobna do instalacji TN-C, ale tym razem wszystkie gniazda mają przewód ochronny. Ten przewód łączy się z neutralnym w rozdzielnicy domu, mieszkania czy całego budynku. Między rozdzielnicą, a stacją transformatorową biegną jednak dwa przewody. Przebicie przewodu fazowego na obudowę urządzenia nie grozi porażeniem. Podobnie przerwanie przewodu neutralnego między rozdzielnicą, a gniazdkiem. Ale przerwanie przewodu neutralnego przed rozdzielnicą daje nam identyczną sytuacją, co w instalacji TN-C, czyli na obudowie i na każdym bolcu będzie 230V! Dlatego dobrą praktyką jest połączyć punkt, gdzie przewody N i PE się łączą z dodatkowym uziemieniem.
Instalacja trójprzewodowa TN-S
W tym przypadku przewód ochronny PE idzie od gniazdka do stacji transformatorowej, równolegle do przewodu neutralnego N. W tym wypadku niezależnie od tego, gdzie nastąpi przerwanie przewodu neutralnego, nadal będziemy bezpieczni. Podobnie z sytuacją przebicia przewodu fazowego L do obudowy.
Instalacja trójprzewodowa z uziemieniem realizowanym lokalnie TT
Przewód uziemiający PE w tym wypadku nie biegnie do stacji transformatorowej, lecz jest uziemiony lokalnie, przy domu/budynku. Ta sytuacja jest analogiczna do instalacji TN-S, ale bez konieczności ciągnięcia dodatkowego przewodu do stacji transformatorowej. Jest to też dobra opcja modernizacji instalacji TN-C, choć lepiej jednak przewód ochronny i neutralny też połączyć lokalnie, jak w najbezpieczniejszym wariancie TN-C-S.
A co, jak uziemienie nie uziemia?
Pierwszą myślą w razie problemów z uziemieniem, zarówno hobbysty, jak i nawet zwykłego mieszkańca jest uziemić gniazdko lub urządzenie do najbliższego kaloryfera czy rury wodnej. Zanim jednak to się zrobi, należy się skontaktować z zarządcą bądź właścicielem budynku by się dowiedzieć, czy to można zrobić i czy instalacja CO jest uziemiona. Samowola w tej kwestii jest nie tylko nielegalna, ale też niebezpieczna!
Lepszą opcją jest wezwać uprawnionego elektryka, by sprawdził i ewentualnie naprawił, bądź wymienił instalację elektryczną, gdyż wszelka samowola automatycznie dyskwalifikuje z wypłaty ubezpieczenia w razie pożaru lub innych zniszczeń wywołanych awarią instalacji. Zgodnie z prawem i zapisami umów ubezpieczeniowych zwykły śmiertelnik nie ma prawa nawet gniazdka wymienić.
Dlaczego "czuć prąd" i skąd się on bierze?
W zasilaczach impulsowych elementem filtracji jest para kondensatorów wysokonapięciowych o pojemności typowo 4,7nF. Jeden kondensator łączy przewód fazowy i uziemiający, drugi łączy przewód neutralny i uziemiający. Razem zachowują się więc jak pojemnościowy dzielnik napięcia. Dla typowej pojemności 4,7nF i częstotliwości napięcia sieciowego 50Hz reaktancja takiego kondensatora wynosi 677,3kΩ. Przez każdy kondensator dzielnika przepłynie zatem prąd ~172µA, czyli prawie 0,2mA, powyżej progu czucia. Jeśli uziemienie nie jest poprawne, to na obudowie będzie potencjał około 115V, a jej dotknięcie spowoduje przepływ tego niewielkiego prądu przez skórę. Stąd "czujemy prąd" na obudowie, na przykład komputera stacjonarnego, jeśli uziemienie nie jest poprawnie podłączone.
Drugim źródłem niepożądanego uczucia w przypadku prostszych zasilaczy jest pojemność między uzwojeniami w transformatorze impulsowym. Jeśli po stronie pierwotnej jest za mała pojemność filtrująca (czyli dla ładowarek do telefonów zawsze), to na impulsy wysokiej częstotliwości generowane przez układ kontrolny nakłada się też pulsacja napięcia o częstotliwości 100Hz z prostownika. Te proste ładowarki używają zwykle przetwornicy typu RCC z oristą stabilizacją napięcia, która to pracuje nawet przy dużych wahaniach napięcia zasilania. Artykuł o tych przetwornicach jest w moich planach.
O wyłącznikach nadmiarowo-prądowych i wyłącznikach różnicowo-prądowych
Większość ludzi nie zdaje sobie z tego sprawy, ale celem wyłącznika nadmiarowo-prądowego powszechnie zwanego bezpiecznikiem nie jest ochrona życia ludzkiego (to raczej skutek uboczny), lecz ochrona instalacji elektrycznej przed przeciążeniem, a w konsekwencji przed przegrzaniem się przewodów i pożarem. Do ochrony przed porażeniem służy wyłącznik różnicowo-prądowy (RCD).
W normalnej sytuacji przez przewód fazowy przepływa taki sam prąd, jak przez przewód neutralny. Jest to zgodne z pierwszym prawem Kirchoffa. Jeśli jednak przewód fazowy będzie miał przebicie do przewodu ochronnego PE, albo do człowieka, popłynie przezeń większy prąd niż wróci przewodem neutralnym. Wyłącznik to wykryje i odetnie prąd. Wszystko pięknie, ślicznie, ale:
1. Nie każda instalacja ma wyłączniki różnicowo-prądowe.
2. Wyłącznik różnicowo-prądowy nie chroni przed zwarciem między przewodem fazowym, a neutralnym, zwłaszcza przed zwarciem przez ciało człowieka.
3. Wyłącznik nadmiarowo-prądowy przy zwarciu przez ciało człowieka też nie zadziała, bo prąd zwarcia wyniesie maksymalnie 230mA, a typowy wyłącznik ma 15-25A.
Inaczej pisząc z zabezpieczeniami jest jak z antykoncepcją: nie ma stuprocentowej gwarancji.
Pętla masy czyli jak niechcący można coś zepsuć?
Najczęściej o pętli masy mówi się w kontekście sprzętu RTV. I o ile w tym kontekście w najgorszym razie kończy się to przydźwiękiem sieciowym, to w kontekście pomiarów oscyloskopowych na urządzeniu podłączonym do sieci elektrycznej może to się skończyć poważnym zwarciem. Ba. badany układ nie musi pracować z napięciami niebezpiecznymi, o czym będzie poniżej.
Załóżmy na początek, że będziemy używać oscyloskopu cyfrowego podłączonego do napięcia sieciowego. Na początek chcemy sobie zobaczyć przebiegi po stronie pierwotnej zasilacza impulsowego. Niech to będzie zasilacz w konfiguracji półmostka, typowy przedstawiciel zasilaczy ATX. Spójrzmy na schemat (sporządził go Rosjanin, stąd miejscami nietypowe jak dla nas oznaczenia):
W górnej części po lewej mamy wejścia napięcia sieciowego. L to przewód fazowy, N to przewód neutralny, a do PE podłączone jest uziemienie. Na schemacie brakuje dodatkowego dławika filtrującego EMI, ale są kondensatory CY1 i CY2 przyłączone do uziemienia. Mają typową wartość 4,7nF, na schemacie zapisaną jako 4700. Za mostkiem znajdziemy główne kondensatory filtrujące i stanowiące zarazem zbiornik energii dla przetwornicy, są to C3 i C4. CY3 to kolejny kondensator przeciwzakłóceniowy połączony z uziemieniem. R1 i R2 rozładowują kondensatory, gdy przetwornica jest wyłączona. Wyrównują też napięcia na nich. C5 zapobiega przepływowi napięcia stałego przez uzwojenie pierwotne, a tym samym nasyceniu się transformatora. C6 i R4 stanowią tzw. obwód gasikowy, eliminujący niepożądane szpilki napięcia przy przełączaniu. Q1 i Q2 to główne tranzystory przełączające. Znajdziemy przy nich diody zabezpieczające przed szpilkami ujemnego napięcia na złączach CE, oraz elementy potrzebne do właściwej polaryzacji baz w czasie przełączania. To jest realizowane przez obwód z transformatorem sterującym w konfiguracji push-pull, sterowanym przez tranzystory Q7 i Q8 kontrolowane przez sterownik zasilany z pomocniczej przetwornicy, których na schemacie nie uwzględniłem. Warto zwrócić uwagę na drobny detal: uzwojenie pierwotne nie jest połączone z tranzystorami od razu, lecz przez dodatkowe kilka zwojów na transformatorze sterującym. Jest to ciekawa forma zabezpieczenia nadprądowego: jeśli przez te kilka zwojów popłynie wystarczająco duży prąd, rdzeń zostanie przemagnesowany i otwarty tranzystor zostanie przedwcześnie zatkany. Układ jest na tyle sprytnie pomyślany, że nie ma znaczenia czy właśnie otwarty jest górny tranzystor, czy dolny.
Jeszcze jeden detal, który będzie istotny później: wszystkie punkty GND na schemacie są połączone z przewodem ochronnym. Nie bez powodu GND to inaczej Ground, czyli ziemia. I tak, sprawdziłem to na przykładzie markowego zasilacza Corsair VS650.
Krótko o działaniu zasilacza
Zasilacz półmostkowy działa w sposób następujący: w pierwszej połowie cyklu otwiera się Q2 pozwalając na przepływ prądu z punktu B+, gdzie mamy około 325V przez uzwojenie ograniczenia prądowego i uzwojenie główne do punktu między C3 i C4, gdzie będzie około 162,5V. Gdy sterownik kończy tę fazę, tranzystor Q2 się zatyka, co hamuje przepływ prądu przez uzwojenie. Po krótkim czasie otwierany jest Q1, co powoduje przepływ energii z punktu między C3 i C4 przez uzwojenie pierwotne, Q1 do punktu B-, gdzie mamy 0V. Sterownik następnie zatyka Q1, i po upływie krótkiego czasu cykl zaczyna się od nowa. Cała sekwencja powtarzana jest od ponad 25 do nawet 150 tysięcy razy na sekundę. Przy niższych częstotliwościach słychać by było pisk przetwornicy - rdzeń i uzwojenie pierwotne drgają od ciągłego przełączania przepływu prądu i zmian kierunków pół elektromagnetycznych indukowanych w rdzeniu (z tego powodu transformatory tradycyjne "buczą").
Transfer energii do uzwojeń wtórnych następuje wtedy, gdy któryś z tranzystorów po stronie pierwotnej przewodzi. Gdy tranzystory są zatkane, na uzwojeniu pojawia się szpilka bądź oscylacja napięcia, którą eliminuje układ gasikowy oraz diody, które są przyłączone równolegle do tranzystorów. W teorii w układzie półmostka obwód gasikowy nie powinien być potrzebny, ale w praktyce żaden producent nie dobiera częstotliwości pracy do częstotliwości rezonansowej transformatora, więc oscylacje mogą się pojawiać generując zakłócenia w paśmie radiowym. W trakcie normalnej pracy Q1 i Q2 nie mogą być otwarte w tym samym czasie - inaczej nastąpiłoby katastrofalne zwarcie.
Zatem gdzie jest problem?
Przy badaniu strony pierwotnej takiego zasilacza najbardziej interesujące są przebiegi między bazami i emiterami tranzystorów (czy sygnał sterujący jest dobry) oraz przebieg na uzwojeniu pierwotnym (czy obwód gasikowy spełnia swoje zadanie). Możemy też chcieć zobaczyć, co się dzieje na tym dodatkowym uzwojeniu ograniczenia prądowego.
Zatem bierzemy się do pomiaru używając naszej wysokonapięciowej sondy oscyloskopowej (której powinniśmy używać, nawet jeśli oscyloskop i sondy standardowe tolerują napięcia do 400V - tak zwyczajnie jest bezpieczniej). Zaczynamy od Vbe Q1. Wpinamy krokodylek do emitera, a czubkiem sondy, albo haczykiem łapiemy bazę. Najwygodniej będzie to zrobić po obu stronach R5 - lepszy dostęp. Oglądamy i ewentualnie zapisujemy wykres na potem. Teraz pora na Q2. Przypniemy się do R8. Ale gdy tylko krokodylek dotknie strony emitera Q2, jego przewód staje się bardzo gorący i zaczyna dymić, zresztą nie tylko on. Jeśli pracowaliśmy "przez żarówkę", czyli na przewodzie fazowym mieliśmy żarówkę klasyczną o mocy kilkudziesięciu watów, jak zaleca się przy zabawie z przetwornicami, to proces destrukcji będzie trwał powoli aż do odłączenia krokodylka lub wyłączenia zasilacza. Bez żarówki proces potrwa ułamek sekundy, bo potem "wybije korki", kolokwialnie pisząc. Co tu się właśnie stało? Jak to co, zrobiliśmy pętlę masy.
Cofnijmy się kawałek do tyłu, konkretnie do krótkiego wykładu o instalacjach elektrycznych. W każdym typie przewód N i PE są ze sobą połączone. Nawet w typie TT, gdzie połączenie przebiega przez Ziemię. Drugim, istotnym faktem jest to, że złącza BNC i ekranowanie wewnątrz oscyloskopu cyfrowego są połączone do uziemienia. Jest to konieczne ze względu na ochronę urządzenia przed promieniowaniem elektromagnetycznym, które mogłoby zakłócić bardzo czułe obwody wejściowe. Zasilacze w lepiej wykonanych oscyloskopach też są ekranowane, by nie generować dodatkowych problemów, podobnie jak obwody wejściowe. Teraz wyjaśnienie sytuacji powinno być proste.
Z chwilą, gdy krokodylek sondy oscyloskopowej został połączony z emiterem Q2, połączył ten punkt z przewodem neutralnym przez przewód sondy, oscyloskop i przewód ochronny. Zależnie od typu instalacji połączenie nastąpiło albo w gniazdku, albo przy rozdzielnicy domu/mieszkania/budynku albo w stacji transformatorowej, albo w końcu przez grunt. Oporność takiego połączenia z reguły jest znikoma, dla bezpieczeństwa. W momencie otwarcia Q2 cała energia z C3 i C4, oraz tyle energii, ile jest w stanie przepłynąć przez przewód fazowy i mostek prostowniczy przepłynęło przez ten tranzystor, i będzie to raczej na tyle dużo, by go trwale przebić. Otwarcie Q2 stworzy nową, równoległą drogę dla energii, jeśli jej oporność będzie zbliżona lub niższa od oporności pętli masy, ten tranzystor też zostanie przebity. Kondensator C5, który nie jest gotowy na tak złe traktowanie prawdopodobnie też wybuchnie. Przy odrobinie szczęścia to przerwie pętlę masy zanim zadziałają bezpieczniki. Mostek prostowniczy też może ulec uszkodzeniu. Oscyloskop raczej to przeżyje, choć gwarancji nie ma, ale sonda raczej nie.
Przyłączenie krokodylka sondy gdziekolwiek po stronie pierwotnej poza punktami na potencjale neutralnym gwarantuje katastrofalne zwarcie! Połączenie krokodylka po stronie wtórnej lub sterownika w jakimkolwiek punkcie poza punktem masy gwarantuje zwarcie tego punktu do masy, co też może, choć nie musi być katastrofalne.
Mam nadzieję, że nikt nie wpadnie na idiotyczny pomysł, by podłączyć krokodylki dwóch sond do punktów na różnych potencjałach, które nie powinny się spotykać.
Bezpieczne pomiary oscyloskopowe wysokonapięciową sondą różnicową
Sondy tego typu zawierają aktywny wzmacniacz różnicowy i pozwalają na pomiary dość wysokich napięć. Nie są tanie, mają ograniczone pasmo przenoszenia. Różnica napięć między wejściami może wynosić od tysiąca woltów wzwyż. Wersje izolowane oferują gorsze pasmo przenoszenia, ale oferują pełną izolację galwaniczną między badanym układem, a oscyloskopem. Sondy nieizolowane są tańsze, mają lepsze pasmo przenoszenia, ale nie zapewniają izolacji - wejścia łączą się z masą oscyloskopu przez rezystory o wysokiej impedancji, co oznacza że maksymalne napięcie między wejściami, a oscyloskopem nie powinno przekraczać wartości dopuszczalnej. Jeśli badane urządzenie jest podatne na prądy upływu, sonda nieizolowana utrudni pomiary zamiast je ułatwić. Sondy te nie nadają się do pomiaru małych różnic napięć - za niska czułość względem poziomu szumów. Za to w naszym przykładowym układzie badanym możemy wpiąć oba wyprowadzenia sondy w dowolnych punktach. Jest to najbezpieczniejsza metoda pomiaru w urządzeniach zasilanych napięciem sieciowym, ale płacimy za to znaczącą ceną zaczynającą się w okolicy tysiąca złotych. Dla hobbysty moim zdaniem ciut za drogo, ale serwisant czy specjalista pracujący pod napięciem znajdzie taką sondę bardzo użyteczną, a inwestycja szybko się zwróci.
Bezpieczne pomiary oscyloskopowe ze wzmacniaczem izolowanym
Można kupić bądź zbudować wzmacniacz wejściowy z izolacją galwaniczną dla wejścia oscyloskopu. Budowa samodzielna może być wyzwaniem, a gotowych rozwiązań na polskim rynku nie znalazłem (być może za słabo szukałem). Z tego powodu nie mogę też się wypowiedzieć na temat ceny, ale spodziewam się, iż będzie niższa od ceny sondy różnicowej z izolacją galwaniczną.
Bezpieczne pomiary oscyloskopowe dwiema wysokonapięciowymi sondami pasywnymi
Jest to pomiar analogiczny do pomiaru aktywną sondą różnicową, z tą jednak różnicą, iż wykorzystujemy funkcjonalność dostępną w każdym oscyloskopie o przynajmniej dwóch kanałach. Mianowicie oscyloskop skonfigurowany tak, by odjął sygnał kanału drugiego od kanału pierwszego. Zależnie od tego, jak działa interfejs oscyloskopu będziemy musieli odwrócić polaryzację sygnału kanału drugiego i go dodać do kanału pierwszego, albo odjąć sygnał kanału drugiego od kanału pierwszego. Profilaktycznie odłączamy krokodylki od obu sond, a sondę podłączoną do kanału drugiego traktujemy jako "czarną", jeśli użyć konwencji z sond różnicowych czy multimetrów. Obie sondy powinny być tego samego typu, i wysokonapięciowe na przynajmniej 1000V. Jeśli mają przełącznik podziału, to powinny być ustawione na maksymalny podział. W przeciwnym razie impedancja będzie za niska i spalimy stopień wejściowy oscyloskopu![/b]
Bezpieczne pomiary oscyloskopowe z transformatorem separującym po stronie badanego urządzenia
W tej metodzie transformator separujący pozwala na to, by układ badany, w naszym przypadku zasilacz, był galwanicznie odizolowany od reszty instalacji elektrycznej. Niektóre transformatory nadal mają połączenie ochronne - warto o tym pamiętać. Gdy używamy transformatora separującego po stronie urządzenia, możemy połączyć krokodylek sondy wysokonapięciowej w dowolnym punkcie układu - ten punkt wtedy zostanie połączony z przewodem ochronnym przez oscyloskop. Ale izolacja galwaniczna transformatora uniemożliwia powstanie pętli masy. Nawet jeśli połączymy przewód ochronny do przewodu fazowego albo punktu B+, to nic złego się nie stanie.
Transformator separujący nie chroni przed porażeniem prądem ani przed przed przypadkowymi zwarciami! Ponadto obciążenie transformatora większą mocą, niż dopuszczalna uszkodzi go tak samo, jak każdy inny transformator.
Teraz się przyda melisa, bo od teraz będę pisał o metodach dopuszczalnych i praktykowanych, acz bardziej niebezpiecznych.
(Nie-)bezpieczne pomiary oscyloskopowe z transformatorem separującym po stronie oscyloskopu
Ostrzeżenie: praktyka niebezpieczna.
To jest metoda stosowana w sytuacji, gdy urządzenie będzie pobierać więcej prądu, niż transformator separujący może przepuścić. Czasami transformatora w ogóle nie da się podłączyć, albo nawet kupić takiego na potrzebną moc. Transformator separujący połączony jest do zasilania oscyloskopu izolując go od instalacji elektrycznej. Ten sposób pracy jest jak najbardziej dopuszczalny, i nawet producenci o nim w opisach wspominają, lecz jest obarczony większym ryzykiem, o czym poniżej. Warto też pamiętać o tym, iż brak uziemienia zwiększa wrażliwość oscyloskopu na zakłócenia, przez co wzrośnie poziom szumów na wejściach.
Ważna uwaga: jeśli transformator separujący ma przewód ochronny między stroną pierwotną, a wtórną, należy go rozłączyć - inaczej transformator nic nie pomoże. Ponieważ połączenie ochronne jest przerwane, możemy podłączyć krokodylek sondy do dowolnego punktu w układzie bez ryzyka powstania pętli masy. Zamiast tego potencjał wybranego przez nas punktu będzie panował na wszystkich gniazdach BNC oscyloskopu oraz na minusie złącza do kompensacji sond oraz na wewnętrznym ekranie oscyloskopu! W trakcie pracy należy zachować SZCZEGÓLNĄ OSTROŻNOŚĆ!
(Nie-)bezpieczne pomiary oscyloskopowe z przerwanym przewodem ochronnym
Ostrzeżenie: praktyka niebezpieczna.
Sytuacja analogiczna do powyższej, ale tym razem nie używamy transformatora separującego. Jeden z użytkowników Elektrody wspomniał o tym, iż zainstalował sobie na kablu zasilającym przełącznik odłączający przewód ochronny. To rozwiązanie zupełnie mi się nie podoba, bo zbyt łatwo można zapomnieć o tym przełączniku. Dodatkowo sygnały wysokiej częstotliwości mogą bez problemu przeniknąć przez zasilacz oscyloskopu, a w skrajnych wypadkach nawet przebić transformator, prowadząc do dość kosztownej usterki.
(Nie-)bezpieczne pomiary oscyloskopowe na zasilaczu UPS
Ostrzeżenie: praktyka niebezpieczna.
Podłączamy oscyloskop do zasilacza UPS, zasilacz odłączamy od instalacji elektrycznej. Na zasilaczu awaryjnym oscyloskop będzie pracował godzinę lub dłużej. Sama praca przebiega tak samo, jak w wyżej wymienionych sytuacjach i jest obarczona podobnym ryzykiem.
Niebezpieczne pomiary oscyloskopowe oscyloskopem analogowym
Stare oscyloskopy analogowe, zwłaszcza te z demoludów nie mają standardowego gniazda IEC. Zamiast tego znajdziemy dwużyłowy przewód zasilający często wyglądający, jakby go ukradli z lampki nocnej. W tym wypadku oscyloskop miewa oddzielne przyłącze uziemienia. Transformator zasilający w środku zapewnia nam izolację galwaniczną, ale po odłączeniu uziemienia celem uniknięcia pętli masy obudowa, metalowe przełączniki i inne metalowe elementy będą na tym samym potencjale, co gniazda BNC. A to oznacza, że możemy zrobić potrzebne pomiary, jak w powyższych przypadkach, ale tym razem CAŁY OSCYLOSKOP JEST POD NAPIĘCIEM! Nie ma tak fajnie, jak z oscyloskopem cyfrowym, gdzie obudowa jest plastikowa, podobnie jak pokrętła, a przyciski są gumowe lub też plastikowe. Cały instrument staje się śmiertelnie groźną pułapką.
Dla porządku dodam, że kiedyś tak się pracowało. Dla mnie to jednak za duże ryzyko. Zwłaszcza jeśli w naszej przestrzeni warsztatowej mogą pojawić się osoby postronne. W związku z tym CAŁKOWICIE ODRADZAM TAKI SPOSÓB PRACY! Potencjalna powierzchnia przypadkowego kontaktu jest zwyczajnie za duża.
(Nie-)bezpieczne pomiary oscyloskopowe oscyloskopem USB
Ostrzeżenie: praktyka niebezpieczna.
Z laptopem zasilany baterią, albo z komputerem stacjonarnym pracującym z zasilacza UPS odłączonego od instalacji elektrycznej (monitor i pozostałe elementy też muszą pracować z zasilacza UPS) oscyloskop USB jest równie bezpieczny co oscyloskop stołowy pracujący z zasilacza UPS albo przez transformator separujący. Czas pracy z zasilacza UPS jest ograniczony do kilku minut, ale laptop może pracować nawet kilka godzin, zależnie od modelu i rzeczywistej pojemności baterii.
Biegun ujemny zasilacza do laptopa często połączony jest do PE. Tylko zasilacze z wtyczką pozbawioną przyłącza PE są bezpieczne.
Oscyloskopy USB z izolacją galwaniczną portu USB albo ze stosownym izolatorem dokupionym oddzielnie też są świetną opcją - gniazda BNC i jeden ze styków kalibratora nadal będą pod napięciem, ale za to reszta komputera nie będzie i nie będzie też limitów czasowych pracy. Izolacja powinna też obejmować izolowane zasilanie.
(Nie-)bezpieczne pomiary oscyloskopowe oscyloskopem bateryjnym lub skopometrem
Ostrzeżenie: praktyka niebezpieczna.
W tych wypadkach instrument jest całkowicie odłączony od instalacji elektrycznej. Dosłownie "wisi w powietrzu". Wiele skopometrów jest zaprojektowanych tak, by gniazda BNC były zagłębione, co chroni użytkownika w trakcie pracy. Są też modele, gdzie do kompletu dołożono zaślepki na nieużywane w danej chwili gniazda i złącza do ochrony przed przypadkowym kontaktem. Jest to najbezpieczniejsza opcja, gdy nie możemy odseparować badanego układu transformatorem.
Skopometr czy oscyloskop zasilany bateryjnie ochronią nas przed pętlą masy, ale odsłonięte złącza nadal będą mogły mieć niebezpieczny potencjał.
Bezpieczne pomiary oscyloskopowe oscyloskopem/skopometrem z izolowanymi wejściami
Na rynku są dostępne oscyloskopy i skopometry, gdzie każde wejście jest fabrycznie odizolowane galwanicznie zarówno od uziemienia, jak i od pozostałych wejść czy układów wewnętrznych oscyloskopu. Takie urządzenie pozwala nam robić dowolne pomiary w układzie bez ryzyka zwarć czy pętli masy. Ceną za taką swobodę działania jest... cena. Jeśli nie ma takiej konieczności, to taniej wyjdzie dokupienie izolowanej sondy różnicowej, niż zakup całego oscyloskopu czy skopometru. Jeśli jednak wiemy, że taka konieczność będzie, a i tak planujemy zakup nowego instrumentu, to wtedy warto się rozejrzeć za modelem z galwaniczną izolacją wejść.
Pomiary multimetrem przenośnym i stołowym
Technicznie rzecz biorąc to w miarę bezpieczne narzędzie. Wyjątek stanowią multimetry źle zaprojektowane oraz najtańsze multimetry budżetowe, które chwalą się przestrzeganiem norm, a tak naprawdę tego nie robią. W mojej kolekcji mam jeden taki multimetr kieszonkowy, o którym napiszę osobną recenzję. Nawet urządzenia stołowe, zasilane napięciem sieciowym są bezpieczne, gdyż za zapewnienie izolacji od instalacji elektrycznej odpowiada wewnętrzny transformator (klasyczny bądź impulsowy).
Zarówno multimetry, jak i sondy do nich mają podaną klasyfikację CAT oraz jakieś napięcie. Najczęściej spotyka się klasyfikacje CAT II i CAT III, rzadziej CAT IV. Napięcia to zwykle 600V i 1000V. Test polega na podłączeniu urządzenia zgodnie z przeznaczeniem do podanego napięcia (niższego lub równego dopuszczalnemu napięciu pracy), po czym na te same wejścia podaje się krótką szpilkę napięcia znacząco wyższego niż napięcie pracy. Test jest zaliczony, jeśli nie nastąpi żadne przebicie przez izolację, ani inne, dramatyczne uszkodzenie, które mogłoby zagrozić życiu lub zdrowiu użytkownika. Wartości wyglądają tak:
| Kategoria | Nominalne napięcie zasilające DC lub AC | Napięcie szpilki |
| CAT II | 600V | 4000V |
| CAT II | 1000V | 6000V |
| CAT III | 600V | 6000V |
| CAT III | 1000V | 8000V |
| CAT IV | 600V | 8000V |
| CAT IV | 1000V | 12000V |
Kategoria CAT nie gwarantuje, że miernik przeżyje, informuje o szansach przeżycia użytkownika.
Pomiar
Zatem jak się przeprowadza pomiary w urządzeniu, które jest pod napięciem powyżej teoretycznie bezpiecznego? Ostrożnie. Polecana przeze mnie procedura wygląda tak:
1. Upewnić się, że wybrano właściwy zakres pomiarowy.
2. Upewnić się, że sondy są wpięte w odpowiednie gniazda.
3. Włączyć urządzenie.
4. Dotknąć wybranych punktów pomiarowych sondami, trzymając palce powyżej ochronnego pierścienia izolacyjnego (gardy).
5. Po dokonaniu pomiaru wyłączyć urządzenie.
Gdy urządzenie jest pod napięciem, nie można dotykać NICZEGO prócz sond, i należy zwracać szczególną uwagę, by niczego nie zewrzeć końcem sondy. Można standardowe sondy zastąpić krokodylkami, wtedy podłączamy je przed włączeniem urządzenia, a odłączamy po wyłączeniu.
Pomiary prądu powyżej 1A powinny trwać mniej niż 10 sekund, chyba że użyjemy multimetru cęgowego albo oddzielnego bocznika do pomiaru dużych prądów.
Jak mierzyć napięcia znacząco wyższe, niż maksymalny zakres multimetru?
To proste: licząc długość wyładowania. Przyjmuje się zwykle przelicznik 1kV na każdy mm łuku.
Można też zbudować odpowiedni dzielnik napięcia. Na przykład ze stu rezystorów 1MΩ w szeregu, z podziałem 99:1. Warunkiem jest użycie odpowiednich przewodów wysokonapięciowych i solidne zaizolowanie samego dzielnika. Rurki termokurczliwe i taśma kaptonowa to za mało - zalanie olejem transformatorowym będzie wymagane. Absolutnie odradzam budowanie czegoś takiego osobom bez niezbędnej wiedzy i doświadczenia z napięciami powyżej 1kV!. Serio, tu już naprawdę nie ma żartów.
Środki ochronne
Za 70-150 złotych można kupić rękawice ochronne do pracy przy wysokim napięciu. Znalazłem modele gumowe do pracy z napięciem od 1kV do nawet 12kV, oraz modele skórzane tolerujące nawet 30kV. Moim zdaniem warto mieć parę rękawic do 1kV, i sam planuję sobie taką sprawić w przyszłości.
Zakupem niezbędnym dla każdego posiadacza oscyloskopu będzie sonda oscyloskopowa wysokiego napięcia. Najtańsze na znanym portalu aukcyjnym kosztują 90 złotych. Producent chwali się pasmem 100MHz, w co nie za bardzo wierzę. Podział 100:10, impedancja 100MΩ || 6pF. Sondy różnicowe kosztują, jak wspomniałem wcześniej, od niecałego tysiąca do nawet kilku.
Sondy wysokonapięciowe do multimetrów też występują - mają długie, dobrze zaizolowane końcówki pomiarowe, co chroni przed przypadkowymi zwarciami i pozwala trzymać dłonie z dala od badanego urządzenia. Na moje oko wymagają jednak ciut większej wprawy. Tak czy siak nie kosztują majątku, a mogą się przydać.
Transformatory separujące mają ceny zaczynające się od około 150 złotych za 100VA, do kilku tysięcy złotych za moce powyżej 1000VA. Powystawowy zasilacz UPS może być bardziej opłacalny, za cenę transformatora 100VA raz spotkałem zasilacz dający 650W przez 5 minut. Czas ładowania to około czterech godzin.
Za około 9 złotych od sztuki można też kupić zaślepki na gniazda BNC, chroniące je przed kurzem. Równie skutecznie powinny też chronić przed przypadkowym dotknięciem, gdy oscyloskop ma "masę" pod napięciem. Ja zamierzam jednak takie zaślepki wykonać samemu na drukarce 3D. Wykonam też zaślepkę na wyjścia kalibratora oraz na długie gniazdo BNC z tyłu mojego oscyloskopu.
Arduino i tym podobne, czyli niespodziewana pętla masy przy bezpiecznym napięciu
Załóżmy, że budujemy układ oparty o Arduino albo inną płytkę uruchomieniową programowaną i zasilaną przez USB. Niech to będzie inteligentna przetwornica albo inna smart-ładowarka. Chcemy na oscyloskopie zobaczyć, jak wygląda przebieg prądu po stronie dodatniego napięcia zasilania. W tym celu w obwodzie mamy rezystor pomiarowy na linii 5V-USB. Naszą płytkę zasilamy z komputera. Podłączamy sondę do rezystora - z chwilą dotknięcia krokodylka do nóżki rezystora komputer się wyłącza lub restartuje. Co się stało? Właśnie zwarliśmy linię 5V USB do masy. Zależnie od tego, jak dobrze jest zaprojektowana płyta główna komputera, ten albo odłączył port od zasilania, zresetował się z powodu zadziałania zabezpieczeń na płycie albo w zasilaczu, albo trwale uszkodzona została sama płyta lub ten port USB.
Takie pomiary można wykonać na zasadniczo cztery sensowne sposoby:
1. Zasilając płytkę uruchomieniową z powerbanku albo zasilacza laboratoryjnego zapewniającego izolację galwaniczną.
2. Robiąc pomiar różnicowy z użyciem dwóch kanałów.
3. Używając galwanicznego izolatora USB.
4. Używając oscyloskopu zasilanego bateryjnie albo skopometru.
Dodatkową, kosztowną opcją jest sonda prądowa do oscyloskopu. Nie są one zbyt czułe, więc mogą nie pozwolić na dokładne pomiary.
Pamiętajcie: obudowa komputera, obudowy wszystkich portów i przewody 0V/GND są połączone razem oraz z przewodem ochronnym/uziemieniem. Tylko gniazda LAN/Ethernet i tradycyjnego modemu telefonicznego są odizolowane galwanicznie.
Na zakończenie
Do prac pod napięciem należy podchodzić z dużą dozą ostrożności podszytej lekką paranoją. Z prądem nie ma żartów, nie ma więc też sensu głupio ryzykować. Ważna jest też świadomość zagrożeń, dlatego opisałem zarówno w miarę bezpieczne sposoby, jak i te skrajnie ryzykowne. Znając bowiem ryzyko można go łatwiej uniknąć.
Mam nadzieję, że melisa pomogła i w komentarzach nie będzie wielkiej, i zupełnie zbędnej stolcoburzy. Za to byłoby miło, gdyby koledzy podzielili się swoimi doświadczeniami i dodatkowymi poradami. Zapraszam też do zadawania pytań.
Cool? Ranking DIY
Nie należy pewnych prawd wypowiadać.
