Porównanie napięć: kiedy uziemić pływający zasilacz

Wokół tego, czy w systemach oprzyrządowania, akwizycji danych i sterowania należy stosować zasilacze z uziemieniem, czy „pływające”, toczy się sporo dyskusji, a być może narosło nawet trochę mitów. Wybór uziemienia lub pozostawienia zasilacza nieuziemionego jest czasem jasno określony w amerykańskim kodeksie elektrycznym (NEC), ale w innych przypadkach pozostawia się go uznaniu inżynierów systemów.

Celem tego artykułu technicznego nie jest udzielenie odpowiedzi na każdą możliwą sytuację związaną z uziemieniem, lecz wskazanie niektórych kwestii, które należy uwzględnić przy podejmowaniu decyzji. Chodzi raczej o nauczenie się, jakie pytania zadawać, niż o przedstawienie bezpośrednich odpowiedzi.

 

Rysunek 1. Wybór między uziemieniem a pozostawieniem zasilacza nieuziemionego nie zawsze jest jasno określony w NEC. Zdjęcie udostępnione dzięki uprzejmości serwisu Adobe Stock

Najważniejsze informacje:

• W pierwszej kolejności należy zapoznać się z NEC lub innymi lokalnymi przepisami.
• Uziemienie zwiększa bezpieczeństwo systemów zasilania, co może dotyczyć również systemów 24-woltowych.
• Uziemienie zapewnia określone napięcie odniesienia dla wszystkich zasilaczy w systemie.
• Izolacja systemów (czyli pozostawienie ich jako pływających) może zwiększyć bezpieczeństwo w obwodach wrażliwych.
• Uziemianie obwodów może w niektórych przypadkach prowadzić do powstawania pętli uziemienia i zakłóceń EMI.

 

Przepisy NEC dotyczące uziemienia

Przed podjęciem decyzji o zastosowaniu systemu uziemionego lub nieuziemionego inżynierowie systemów powinni zapoznać się z NEC, ponieważ kodeks ten określa prawne standardy dotyczące tego, które urządzenia i w jaki sposób powinny być uziemione lub pozostawione nieuziemione. Systemy niezgodne z NEC stanowią poważne naruszenie zasad bezpieczeństwa i mogą prowadzić do śmierci lub obrażeń w miejscu pracy, uszkodzenia sprzętu albo nałożenia grzywien.

NEC jest aktualizowany co trzy lata, a najnowsza wersja pochodzi z 2023 roku.

 

Zalety utrzymywania uziemienia zasilacza

Choć ten artykuł nie ma być pełnym wprowadzeniem do uziemienia ani filozoficznej odpowiedzi na pytanie „czym jest masa?”, ważne jest zrozumienie, dlaczego systemy są uziemiane. W artykule mowa będzie głównie o masie obudowy, w przypadku której metalowe osłony urządzeń są ze sobą połączone elektrycznie. Połączenia te mogą być wykonane przewodami, plecionymi taśmami, miedzianymi paskami lub szynami, szyną DIN albo za pomocą innych podobnych rozwiązań. W pojazdach stosuje się masę obudowy, aby zapewnić bezpieczną drogę powrotną do ujemnego zacisku akumulatora, bez przewodzenia prądu do fizycznego uziemienia znajdującego się na zewnątrz.

Systemy uziemione to takie, w których wszystkie komponenty są ze sobą połączone i mają wspólny węzeł. W przypadku systemów uziemionych zakłada się, że na przewodach wyrównawczych ani obudowie nie występuje spadek napięcia oraz że wszystkie elementy systemu mogą wykorzystywać tę wspólną masę jako punkt odniesienia do pomiarów napięcia.

Idąc o krok dalej, określenie „uziemienie ochronne” lub po prostu „uziemienie” w wielu krajach oznacza, że masa jest połączona z fizycznym uziomem znajdującym się na zewnątrz obiektu.

 

Rysunek 2. Masa obudowy. Zwróć uwagę na wiele połączeń elektrycznych z metalową obudową tego urządzenia. Zdjęcie udostępnione dzięki uprzejmości serwisu Wikimedia Commons

 

Uziemienie zapewniające bezpieczeństwo w miejscu pracy

Masy są często połączone z obudową urządzenia. Dzięki temu, jeśli wewnątrz urządzenia nastąpi zwarcie do obudowy, prąd może popłynąć bezpośrednio do ziemi. Zwykle powoduje to zadziałanie wyłącznika lub przepalenie bezpiecznika, całkowicie zatrzymując przepływ prądu.

Najczęstszym powodem łączenia mas jest zapobieganie niebezpiecznym porażeniom prądem. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli urządzenie znajduje się w zasięgu jakiejkolwiek przewodzącej drogi powrotnej do źródła, powinno być połączone z masą. Jeśli masy nie są ze sobą połączone, między dwiema maszynami może wystąpić różnica potencjałów. Jeżeli pracownik dotknie dwóch punktów przewodzących, a różnica potencjałów będzie wystarczająco duża, może dojść do niebezpiecznego porażenia prądem.

 

Rysunek 3. Jedno urządzenie 24 V połączone z uziemieniem (po lewej) obok „pływającego” zasilacza 24 V (po prawej), ustawionego na dowolnym poziomie 36 V.

 

Rozważmy dwa urządzenia 24 V znajdujące się w zasięgu ręki. Jedno urządzenie jest połączone z uziemieniem, co oznacza, że napięcie (+) wynosi absolutnie 24 V. Druga obudowa utraciła połączenie z uziemieniem. Zamiast tego inny system zasilania (lub napięcie indukowane) podniósł potencjał całego systemu do poziomu 36 V powyżej ziemi.

W drugim systemie między komponentami nadal może występować tylko 24 V, ale w rzeczywistości między górnym zaciskiem tego zasilacza a ziemią występuje teraz 60 V. Jest to przykład „pływającego” zasilacza.

Gdyby ktoś dotknął obudów pierwszego i drugiego urządzenia, mimo że względem ziemi obie POWINNY mieć potencjał zero woltów, drugi system miałby potencjał o 36 V wyższy. Operator zostałby porażony prądem.

 

Zalety systemów z nieuziemionymi zasilaczami

Dwie zalety systemów pływających to możliwość izolowania urządzeń oraz potencjalne ograniczenie poziomu zakłóceń na liniach sygnałowych czujników.

 

Problem ze znalezieniem wspólnej masy

Choć połączenie jednego końca wszystkich urządzeń z masą ma swoje zalety, czasami nie jest praktyczne.

Rozważmy dużą instalację czujników monitorujących umieszczonych na moście. Monitorują one niewielkie zmiany rezystancji tensometrów, aby upewnić się, że most zachowuje się w przewidywalny sposób podczas normalnego użytkowania i pod obciążeniem wiatrem. Często tensometry są podłączone w układzie mostka Wheatstone’a, aby mierzyć niewielką zmianę napięcia podczas odkształcania mostu. Ponieważ napięcie to jest małe, a odległość, na jaką mogą być przesyłane sygnały, jest duża, wspólna masa może wcale nie być tak „wspólna”. Oznacza to, że napięcie w dowolnym punkcie przewodów masy czujników może nie wynosić zero. Takie pętle uziemienia mogą poważnie zakłócać starannie skalibrowane czujniki. W tym przypadku lepszym rozwiązaniem może być odizolowanie każdego czujnika od wspólnej masy i pomiar wyłącznie zmiany napięcia (a tym samym rezystancji, a więc i odkształcenia) na samym tensometrze.

Podobnie długi przewód może działać jak antena, nawet jeśli jeden jego koniec wydaje się uziemiony. W rezultacie taki długi przewód antenowy może pochłaniać wszelkiego rodzaju zakłócenia częstotliwości radiowej (RFI), powodując jeszcze większe różnice potencjałów „masy”. Mogą one być szczególnie trudne do zdiagnozowania, ponieważ zmieniają się w czasie i mogą występować sporadycznie, zależnie od źródła zakłóceń RFI.

 

Rysunek 4. Transformatory separacyjne dobrze filtrują sygnały o wysokiej częstotliwości. Zdjęcie udostępnione dzięki uprzejmości serwisu Wikimedia Commons

 

Izolacja elektryczna

Izolacja ma również zalety, jeśli chodzi o ograniczanie skoków wysokiego napięcia i sygnałów impulsowych. Wróćmy do przykładu mostu — załóżmy, że zestaw czujników i sprzęt do akwizycji danych są połączone wspólną masą. Następnie, co zdarza się często, w most uderza piorun. Choć wiele takich konstrukcji ma ochronę odgromową, nie jest ona doskonała. Nagle napięcie „masy” zostaje skokowo podniesione do 100 000 V.  Wszystkie elementy tego systemu zostaną spolaryzowane zaporowo napięciem 100 000 V pomniejszonym o napięcie występujące po stronie dodatniej. Prawdopodobieństwo zniszczenia urządzeń podłączonych do tej masy jest wysokie.

Przykład z piorunem dobrze uzasadnia stosowanie izolacji w dużych, zewnętrznych instalacjach sprzętu czujnikowego. Załóżmy, że zamiast łączyć wszystkie te urządzenia wspólną masą, system akwizycji danych i zasilacz pozostają nieuziemione i są połączone przez transformator separacyjny. W takim przypadku skok napięcia będzie mniej prawdopodobnie uszkadzał droższy sprzęt. Transformatory (podobnie zresztą jak cewki) dobrze filtrują sygnały o wysokiej częstotliwości, w tym impulsy, co oznacza, że skok napięcia zostanie stłumiony, zanim dotrze z powrotem do chronionego sprzętu.

 

Uziemiać czy pozostawić nieuziemione?

W ramach przepisów określonych przez NEC inżynier ma pewną swobodę w zakresie projektowania lub modyfikowania każdego systemu zgodnie z jego konkretnymi potrzebami. Duże systemy z długimi przewodami często korzystają z połączeń pływających, ponieważ pętle uziemienia mogą być nieuniknione, a skoki napięcia występują częściej. Bardziej zwarte systemy, szczególnie te, które można łatwo lub przypadkowo ze sobą połączyć, powinny współdzielić wspólną masę.