مقایسهٔ ولتاژ: چه زمانی باید یک منبع تغذیهٔ شناور را زمین کرد

درباره اینکه در سیستم‌های ابزار دقیق، گردآوری داده و کنترل، از منابع تغذیه «زمین‌شده» یا «شناور» استفاده شود، بحث‌های زیادی وجود دارد و شاید حتی باورهای عامیانه‌ای نیز شکل گرفته باشد. انتخاب زمین‌کردن یا شناور نگه‌داشتن منبع تغذیه گاهی به‌روشنی در کد ملی برق (NEC) مشخص شده است، اما در موارد دیگر به تشخیص مهندسان سیستم واگذار می‌شود.

هدف این مقاله فنی ارائه پاسخ برای هر وضعیت احتمالی زمین‌کردن نیست، بلکه اشاره به برخی ملاحظاتی است که باید در این تصمیم‌گیری لحاظ شوند. این مقاله بیشتر درباره یادگیری پرسش‌هایی است که باید مطرح کرد، نه ارائه پاسخ‌های مستقیم.

 

شکل ۱. انتخاب زمین‌کردن یا شناور نگه‌داشتن منبع تغذیه همیشه در NEC روشن نیست. تصویر با اجازه Adobe Stock استفاده شده است

نکات کلیدی:

• ابتدا با NEC یا سایر مقررات محلی مشورت کنید.
• زمین‌کردن ایمنی سیستم‌های قدرت را افزایش می‌دهد و این موضوع می‌تواند به سیستم‌های ۲۴ ولتی نیز تعمیم یابد.
• زمین‌کردن، ولتاژی مشخص برای همه منابع تغذیه در سراسر سیستم فراهم می‌کند.
• ایزوله‌کردن سیستم‌ها (یا شناور نگه‌داشتن آن‌ها) می‌تواند در مدارهای حساس ایمنی ایجاد کند.
• زمین‌کردن مدارها در برخی موارد می‌تواند به ایجاد حلقه‌های زمین و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) منجر شود.

 

مقررات زمین‌کردن در NEC

مهندسان سیستم پیش از تصمیم‌گیری درباره زمین‌شده یا شناور بودن سیستم باید با NEC مشورت کنند، زیرا این کد استانداردهای قانونی مربوط به اینکه تجهیزات مختلف چگونه و در چه شرایطی باید زمین شوند یا بدون اتصال به زمین باقی بمانند را تعیین می‌کند. سیستم‌هایی که از NEC پیروی نمی‌کنند، تخلف‌های جدی ایمنی محسوب می‌شوند و ممکن است به مرگ یا آسیب‌دیدگی در محیط کار، صدمه به تجهیزات یا جریمه منجر شوند.

NEC هر سه سال یک‌بار به‌روزرسانی می‌شود و جدیدترین نسخه آن مربوط به سال ۲۰۲۳ است.

 

مزایای زمین‌شده نگه‌داشتن منبع تغذیه

اگرچه هدف این مقاله ارائه آموزش جامع درباره زمین‌کردن یا بررسی فلسفی پرسش «زمین چیست؟» نیست، درک دلیل زمین‌شدن سیستم‌ها اهمیت دارد. تمرکز اصلی این مقاله بر زمین شاسی است؛ یعنی جایی که پوشش‌های فلزی تجهیزات از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل می‌شوند. این اتصال‌ها می‌توانند از طریق سیم، تسمه‌های بافته‌شده، نوارها یا میله‌های مسی، ریل DIN یا اتصالات مشابه انجام شوند. خودروها از زمین شاسی استفاده می‌کنند تا مسیری ایمن به ترمینال منفی باتری فراهم شود، بدون اینکه جریانی به زمین فیزیکی خارج از خودرو منتقل شود.

سیستم‌های زمین‌شده سیستم‌هایی هستند که همه اجزای آن‌ها به یکدیگر و به یک گره مشترک متصل‌اند. در سیستم‌های زمین‌شده فرض بر این است که در سیم‌های هم‌بندی یا شاسی افت ولتاژی وجود ندارد و همه بخش‌های سیستم می‌توانند از این زمین مشترک به‌عنوان نقطه مرجع اندازه‌گیری ولتاژ استفاده کنند.

اگر مفهوم زمین را یک گام جلوتر ببریم، تعیین «زمین حفاظتی» یا، در بسیاری از مناطق، صرفاً «ارت»، به این معناست که زمین به یک میله زمین فیزیکی در خارج از تأسیسات متصل است.

 

شکل ۲. زمین شاسی. توجه کنید که چندین اتصال الکتریکی به جعبه فولادی این تجهیز وجود دارد. تصویر با اجازه Wikimedia Commons استفاده شده است

 

زمین‌کردن برای ایمنی در محیط کار

زمین‌ها اغلب به شاسی یک تجهیز متصل می‌شوند. به این ترتیب، اگر اتصال کوتاهی داخلی با شاسی رخ دهد، جریان می‌تواند مستقیماً به زمین منتقل شود. این جریان معمولاً باعث قطع‌شدن کلید مدار یا سوختن فیوز می‌شود و عبور جریان را به‌طور کامل متوقف می‌کند.

رایج‌ترین دلیل اتصال زمین‌ها به یکدیگر، جلوگیری از برق‌گرفتگی خطرناک است. به‌طور کلی، اگر تجهیزی در محدوده دسترسی هر مسیر رسانایی باشد که به منبع بازمی‌گردد، باید به زمین متصل شود. اگر زمین‌ها به یکدیگر متصل نباشند، ممکن است بین دو ماشین اختلاف ولتاژ ایجاد شود. اگر کارگری دو نقطه رسانا را لمس کند و اختلاف پتانسیل به‌اندازه کافی زیاد باشد، ممکن است دچار برق‌گرفتگی خطرناک شود.

 

شکل ۳. یک تجهیز ۲۴ ولتی متصل به زمین حفاظتی (سمت چپ) در کنار یک منبع تغذیه «شناور» ۲۴ ولتی (سمت راست) که روی سطح دلخواه ۳۶ ولت تنظیم شده است.

 

دو تجهیز ۲۴ ولتی را در نظر بگیرید که در فاصله دسترسی یکدیگر قرار دارند. یکی از تجهیزات به زمین حفاظتی متصل است؛ یعنی ولتاژ (+) آن برابر با ۲۴ ولت مطلق است. شاسی دستگاه دیگر اتصال خود به زمین حفاظتی را از دست داده است. در عوض، یک سیستم قدرت دیگر (یا ولتاژ القایی) پتانسیل کل سیستم را به ۳۶ ولت بالاتر از سطح زمین رسانده است.

ممکن است هنوز فقط ۲۴ ولت بین اجزای این سیستم دوم وجود داشته باشد، اما در واقع اکنون بین بالاترین نقطه این منبع تغذیه و زمین حفاظتی ۶۰ ولت اختلاف وجود دارد. این نمونه‌ای از یک منبع تغذیه «شناور» است.

اگر کسی شاسی دستگاه اول و دوم را لمس کند، با اینکه هر دو دستگاه باید نسبت به زمین صفر ولت باشند، سیستم دوم ۳۶ ولت بالاتر شناور است. اپراتور دچار برق‌گرفتگی می‌شود.

 

مزایای سیستم‌های منبع تغذیه بدون اتصال به زمین

دو مزیت سیستم‌های شناور عبارت‌اند از توانایی ایزوله‌کردن تجهیزات و امکان کاهش نویز در خطوط سیگنال حسگرها.

 

مشکل یافتن زمین مشترک

اگرچه اتصال یک سر همه تجهیزات به زمین مزایایی دارد، اما گاهی انجام این کار عملی نیست.

یک مجموعه بزرگ از حسگرهای پایش را روی یک پل در نظر بگیرید. این حسگرها تغییرات کوچک مقاومت ناشی از کرنش‌سنج‌ها را پایش می‌کنند تا اطمینان حاصل شود پل در شرایط استفاده عادی و تحت بار باد، رفتاری قابل پیش‌بینی دارد. اغلب این کرنش‌سنج‌ها از طریق پل وتستون تغذیه می‌شوند تا هنگام اعمال کرنش به پل، تغییر کوچک ولتاژ اندازه‌گیری شود. از آنجا که این ولتاژ کوچک است، اما سیگنال‌ها ممکن است مسافت زیادی را طی کنند، زمین مشترک شاید واقعاً «مشترک» نباشد؛ یعنی ولتاژ در هر نقطه از سیم‌های زمین حسگر ممکن است صفر نباشد. چنین حلقه‌های زمینی می‌توانند حسگرهایی را که با دقت کالیبره شده‌اند، دچار اختلال جدی کنند. در این شرایط، بهتر است هر حسگر از زمین مشترک ایزوله باشد و فقط تغییر ولتاژ (و در نتیجه مقاومت و سپس کرنش) در دو سر خود گیج را اندازه‌گیری کند.

در همین راستا، یک سیم بلند می‌تواند مانند آنتن عمل کند، حتی اگر به نظر برسد یک سر آن زمین شده است. به همین دلیل، انواع تداخل فرکانس رادیویی (RFI) ممکن است توسط این سیم آنتنی بلند جذب شوند و اختلاف‌های بیشتری در «زمین» ایجاد کنند. عیب‌یابی این موارد می‌تواند به‌ویژه دشوار باشد، زیرا با گذشت زمان تغییر می‌کنند و بسته به منبع RFI ممکن است به‌صورت متناوب رخ دهند.

 

شکل ۴. ترانسفورماتورهای ایزولاسیون در فیلترکردن سیگنال‌های فرکانس‌بالا عملکرد خوبی دارند. تصویر با اجازه Wikimedia Commons استفاده شده است

 

ایزولاسیون الکتریکی

ایزولاسیون برای محدودکردن جهش‌های ولتاژ بالا و سیگنال‌های ضربه‌ای نیز مزایایی دارد. به مثال پل بازگردیم—فرض کنید مجموعه‌ای از حسگرها و تجهیزات گردآوری داده وجود دارد که همگی از طریق یک زمین مشترک به یکدیگر متصل‌اند. سپس، همان‌طور که اغلب رخ می‌دهد، صاعقه به پل برخورد می‌کند. اگرچه بسیاری از این سازه‌ها به حفاظت در برابر صاعقه مجهزند، این حفاظت کامل نیست. ناگهان «زمین» به‌طور آنی تا ۱۰۰٬۰۰۰ ولت جهش می‌کند. تمام اجزای این سیستم نسبت به قطب مثبت، به‌اندازه ۱۰۰٬۰۰۰ ولت منهای ولتاژ موجود در سمت مثبت، تحت بایاس معکوس قرار می‌گیرند. احتمال زیادی وجود دارد که تجهیزات متصل به این زمین از بین بروند.

مثال صاعقه، دلیل مناسبی برای استفاده از ایزولاسیون در تأسیسات بزرگ و روبازِ تجهیزات حسگر ارائه می‌دهد. فرض کنید به‌جای اتصال همه این تجهیزات از طریق یک زمین مشترک، سیستم گردآوری داده و منبع تغذیه شناور باقی بمانند و از طریق یک ترانسفورماتور ایزولاسیون به هم متصل شوند. در این صورت، احتمال آسیب‌دیدن تجهیزات گران‌تر بر اثر جهش ولتاژ کمتر می‌شود. ترانسفورماتورها (و البته سلف‌ها) در فیلترکردن سیگنال‌های فرکانس‌بالا، از جمله سیگنال‌های ضربه‌ای، عملکرد خوبی دارند؛ بنابراین پیش از آنکه جهش ولتاژ به تجهیزات حفاظت‌شده بازگردد، تضعیف خواهد شد.

 

شناور باشد یا نباشد؟

در چارچوب اختیاراتی که NEC و قانون فراهم می‌کنند، مهندس در طراحی یا اصلاح هر سیستم برای برآوردن نیازهای خاص خود، انعطاف‌پذیری قابل‌توجهی دارد. سیستم‌های بزرگ با سیم‌های بلند اغلب از اتصالات شناور سود می‌برند، زیرا حلقه‌های زمین ممکن است اجتناب‌ناپذیر باشند و جهش‌های ولتاژ نیز رایج‌ترند. سیستم‌های فشرده‌تر، به‌ویژه سیستم‌هایی که ممکن است به‌سادگی یا به‌طور تصادفی به یکدیگر متصل شوند، باید زمین مشترکی داشته باشند.