Существует довольно много рассуждений, о том, следует ли использовать «заземленные» или «плавающие» источники питания в контрольно-измерительных приборах, системах сбора данных и управления. Выбор заземления или его отсутствия («плавающий» режим) при подключении источника питания иногда четко указывается в различных нормативных технических документах, но в других случаях это не так и остается на усмотрение системных инженеров. Цель данной технической статьи не в том, чтобы дать ответ для каждой потенциальной ситуации с заземлением, а в том, чтобы указать на некоторые соображения, которые должны учитываться при принятии решения.
В основном здесь речь пойдет о заземлении источника питания на некотором корпусном шасси, где электрически соединяются металлические кожухи устройств. Эти соединения могут быть выполнены с помощью проводов, плетеных кабелей, медных кабелей или шин, DIN-рейки или других подобных соединений. В транспортных средствах используется заземление на шасси, чтобы обеспечить безопасный путь обратно к отрицательной клемме аккумулятора, но при этом не проводить ток на физическую землю снаружи.
Заземленные системы – это системы, в которых все компоненты связаны вместе и имеют общий узел. При использовании заземленных систем предполагается, что на соединительных проводах или шасси нет падения напряжения и что все элементы этой системы могут использовать эту общую землю в качестве точки отсчета для измерения напряжения.
Заземления часто привязаны к шасси устройства. Таким образом, в случае внутреннего короткого замыкания на шасси ток может течь непосредственно на землю. Как правило, это приводит к срабатыванию выключателя или перегоранию предохранителя, что полностью останавливает подачу тока. Наиболее распространенной причиной соединения заземления является предотвращение опасного поражения электрическим током. Как правило, если две единицы оборудования находятся на расстоянии вытянутой руки друг от друга, их заземление следует соединить вместе. Если они не связаны вместе, два устройства могут иметь разность напряжений. Если рабочий касается каждого устройства, а разность потенциалов достаточно высока, рабочий может получить опасный удар электрическим током.
Рассмотрим два устройства на 24 В постоянного тока, находящиеся на расстоянии вытянутой руки друг от друга. Одно устройство на 24 В подключено к заземлению, что означает, что высокое напряжение (относительно земли) составляет 24 В. Шасси другого устройства потеряло заземление. Вместо этого какая-то другая система питания (или наведенное напряжение) подняла потенциал всей системы до 36 В. На компонентах этой второй системы по-прежнему есть только 24 В, но теперь с верхней части источника питания подается 60 В. Это пример «плавающего» блока питания.
Если кто-то коснется шасси первого и второго устройств, даже если они оба ДОЛЖНЫ быть нулевыми по отношению к земле, по потенциалу вторая система будет на 36 В выше. Человек получит ощутимый удар током.
Двумя преимуществами плавающих источников питания являются их способность изолировать оборудование и потенциал для снижения шума на сигнальных линиях датчиков.
Хотя заземление одного конца всего оборудования имеет свои преимущества, иногда это нецелесообразно. Рассмотрим большую установку сенсоров контроля состояния на мосту. Они отслеживают небольшие изменения сопротивления от тензометрических датчиков, чтобы обеспечить предсказуемое поведение моста при нормальном использовании и ветровой нагрузке. Часто эти тензометрические датчики питаются через мост Уитстона для измерения небольшого изменения напряжения при растяжении моста.
Поскольку это напряжение невелико, а расстояние, которое сигналы должны пройти, велико, общая земля может быть не такой уж «общей», а это означает, что напряжение в любой точке этих проводов заземления датчика может быть не равно нулю. Такие контуры заземления могут нанести ущерб тщательно откалиброванным датчикам. В этом случае может быть лучше убедиться, что каждый датчик изолирован от общего заземления, измеряя только изменение напряжения (и, следовательно, сопротивление и, следовательно, деформацию) на самом датчике.
В этих линиях длинный провод может действовать как антенна, даже если один его конец кажется заземленным. Из-за этого все виды радиочастотных помех могут поглощаться этим длинным антенным проводом, вызывая еще большие различия в «земле». Это может быть особенно проблематично для устранения неполадок, поскольку они меняются со временем и могут быть прерывистыми, в зависимости от источника радиопомех.
Изоляция также имеет свои преимущества для ограничения скачков высокого напряжения и импульсных сигналов. Вернемся к примеру с мостом. Представьте, что есть набор датчиков и оборудования для сбора данных, все они связаны друг с другом общей землей. Затем, как это часто бывает, в мост ударяет молния. Хотя многие такие конструкции имеют некоторую молниезащиту, она не идеальна. Внезапно «земля» по своему потенциалу мгновенно подскакивает до 100000 В. Все в этой системе будет смещено в обратном направлении до уровня 100000 В минус любое напряжение на положительной стороне. Велика вероятность того, что устройства, подключенные к этой земле, будут уничтожены.
Пример с молнией является хорошим аргументом в пользу изоляции в больших наружных установках сенсорного оборудования. Предположим, что вместо того, чтобы соединить все эти устройства через общую землю, система сбора данных и источник питания оставлены плавающими, подключенными через изолирующий трансформатор. В этом случае скачок напряжения с меньшей вероятностью повредит более дорогое оборудование. Трансформаторы (и катушки индуктивности, если на то пошло) хорошо фильтруют высокочастотные сигналы, включая импульсы, а это означает, что всплеск напряжения будет ослаблен, прежде чем он вернется в защищенное оборудование. Следует отметить, что изолирующие трансформаторы и плавающие заземления НЕ являются адекватной защитой от молнии. Их можно использовать как часть более комплексной системы молниезащиты.
В рамках нормативных технических актов инженер имеет некоторую гибкость в том, как каждая система может быть спроектирована или модифицирована для удовлетворения конкретных потребностей. Большие системы с длинными проводами часто выигрывают от плавающих соединений, поскольку контуры заземления могут быть неизбежны, а скачки напряжения в подобных случаях более распространены. Более компактные системы, особенно те, которые могут быть легко или случайно подключены к линиям с другим потенциалом, должны иметь общую землю.
© digitrode.ru