В каждом техническом материале с упоминанием циферок “220”, обязательно приводится предупреждение о необходимости соблюдать предельную осторожность, ибо вышеуказанные вольты крайне чреваты. Но нигде толком не пишут о правилах работы с высоким сетевым напряжением. Поэтому речь пойдет о схемах, устройствах и измерениях, опасных для здоровья и оборудования. Изучим правильную методику, рекомендованную специалистами электриками, и о методах работы с радиосхемами в ситуациях, когда правильная методика не может быть использована (в силу разных причин).

Воздействие электричества на человека

Предполагается, что сопротивление тела человека колеблется от 1 кОм до примерно 100 кОм. Бывают случаи когда оно достигает почти мегаома, но это большая редкость. Давно известно как оно влияет на человека. Приведем фрагмент документа о “Безопасных уровнях тока в организме человека”.

Приняв сопротивление тела на крайнем безопасном уровне 1 кОм, можно рассчитать что напряжение выше 30 В уже опасно. В действительности ситуация более сложная, и верхний предел безопасного напряжения зависит как от вида напряжения, так и от состояния кожи и поверхности контакта между телом и источником электроэнергии. Вот таблица:

Тип напряжения    Безопасное значение
сухой      влажный      мокрый
Переменное напряжение: 50    25    12
Постоянное: 120    60    30

Стандарты напряжения ниже указанных значений считаются безопасными. Почему напряжение переменного тока имеет более низкие безопасные пороги? Потому что при этих напряжениях изолирующий слой кожи ведет себя как диэлектрик в конденсаторе, а реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты.

Выше 2 кГц уровень боли, возникающей при ударе, начинает уменьшаться. Некоторые, впечатленные экспериментами с Тесла-катушками полагают, что скин-эффект защищает их. Но это не так. Эффект заключается в том, что с увеличением частоты уменьшается глубина проникновения тока в проводник. И если с хорошим проводником это так и есть, то для тела человека токи с частотой 100 кГц – 1 МГц проникают в него на глубину 25 – 70 см. Потому что чем хуже проводник, тем глубже может течь в нем ток. Поэтому работать с токами в радиодиапазоне еще опаснее – мало того что нет защиты, так можем даже не ощутить опасного для органов удара!

В случае заметного поражения электрическим током ОБЯЗАТЕЛЬНО обратитесь к врачу, так как любое протекание тока может нарушить работу сердца даже через несколько часов после поражения!

О том что даже «безопасное» электричество опасно, свидетельствует то, что ежегодно несколько человек погибают после удара электрошокером, используемым различными службами по всему миру. Хотя в зависимости от модели электрошокеры имеют ограничение по току до 3,5 мА.

Помните: напряжение бьет, а ток убивает!

Заземление в электросетях

Заземление, более профессионально называемое защитный проводник, используется для защиты от случайного поражения электрическим током в случае повреждения электросети или самого устройства. Наличие и тип заземления зависят от типа того устройства и начнем с важного замечания: нейтральный (N) провод ВСЕГДА заземлен на трансформаторной подстанции.

Двухпроводная сеть TN-C

Классика экономичной разводки сети. К каждой розетке идет только фаза (L) и нулевой провод обозначенный как PEN), так как он выполняет функцию нулевого проводника N и защитного проводника PE). Заземляющий контакт иногда подключают к нулевому проводу в розетке, хотя часты такие розетки, где он ни к чему не подсоединен. В случае пробоя между фазным проводом и «заземленным» корпусом устройства человек будет в безопасности, если в розетке есть соединение между штыревым и PEN-проводником. Если его нет, то на корпусе будет полноценные 220 В. Если провод PEN оборван где-то между трансформаторной станцией и розеткой, а связь между ним и розеткой есть, то на корпусе тоже будет 220 В! Более того, если обрыв произойдет перед распределительным устройством, то все приборы и каждый заземляющий контакт в каждой розетке будут на 220 В. А все из-за того, что кому-то пришла в голову идея упростить электромонтаж и сэкономить на лишнем проводе.

Трехпроводная сеть с РЕ, TN-CS

Аналогичная ситуация с TN-C, но на этот раз все розетки имеют защитный провод. Этот провод подключается к нейтрали в распределительном устройстве дома, квартиры или всего здания. Но между распределительным устройством и трансформаторной станцией проходят два провода. При проколе фазного провода на корпусе устройства отсутствует риск поражения электрическим током. Аналогично обрыв нулевого провода между распределительным устройством и розеткой. Но обрыв нейтрали перед распределительным устройством вызовет такую же ситуацию, как и в TN-C, то есть на корпусе и на каждом выводе будет 220 В! Поэтому рекомендуется подключать точку, где проводники N и PE подключаются к дополнительному заземлению.

Трехпроводная сеть TN-S

В этом случае защитный провод РЕ идет от розетки к трансформаторной подстанции, параллельно нулевому проводу N. Тогда независимо от того где обрывается нулевой провод, все равно человек будет в безопасности. Аналогично с ситуацией пробоя провода фазы L в корпус.

Трехпроводная сеть с заземлением ТТ

Заземлитель РЕ в этом случае не идет к трансформаторной подстанции, а заземляется локально, у дома. Эта ситуация аналогична TN-S, но без необходимости прокладки дополнительного кабеля к трансформаторной подстанции. Это также хороший вариант для модернизации сети TN-C, хотя защитный и нулевой проводники лучше подключать локально, как в наиболее безопасном варианте TN-CS.

Если заземление не заземляет

Первая мысль при проблемах с заземлением – заземлить розетку или прибор на ближайшую батарею отопления или водопровод. Но вначале следует узнать, можно ли это сделать и заземлена ли система центрального отопления. Самостоятельное решение этого вопроса не только незаконно, но и опасно!

Лучшим вариантом будет вызов электрика для проверки и, при необходимости, ремонта или замены электросети, ведь любое самоуправство автоматически лишает права на страховую выплату в случае пожара или иного ущерба, вызванного выходом из строя сети. По закону и положениям договоров страхования простой смертный не имеет права даже заменить розетку в квартире.

В импульсных источниках питания фильтрующим элементом является пара высоковольтных конденсаторов. Один конденсатор соединяет фазу и заземляющие провода, другой – нулевой и заземляющий. Таким образом, вместе они действуют как емкостной делитель напряжения. При типичной емкости 4,7 нФ и частоте сетевого напряжения 50 Гц реактивное сопротивление такого конденсатора составляет 677 кОм. Таким образом, через каждый конденсатор делителя будет протекать ток ~172 мкА, то есть почти на 0,2 мА выше порога срабатывания. Если заземление неправильное – на корпусе будет потенциал около 115 В и прикосновение к нему приведет к протеканию этого небольшого тока через кожу. Следовательно, мы чувствуем ток на корпусе, например, компьютера, если заземление не подключено должным образом.

Вторым источником нежелательных ощущений в случае более простых блоков питания является емкость между обмотками в импульсном трансформаторе. Если фильтрующая способность на первичной стороне слишком мала, то высокочастотные импульсы, генерируемые схемой управления, также накладываются на пульсации напряжения 100 Гц от выпрямителя. В простых зарядных устройствах обычно используется преобразователь типа RCC, который работает даже при больших колебаниях питающего напряжения.

Об устройствах защитного отключения

Назначение автоматического выключателя максимального тока, известного как предохранитель, не в защите жизни человека, а электросхемы от перегрузки и, следовательно, от перегрева проводов и возгорания. Именно устройство защитного отключения (УЗО) используется для защиты от поражения электрическим током людей.

Обычно по фазному проводу течет тот же ток, что и по нейтральному. Это согласуется с первым законом Кирхгофа. Но если фазный провод имеет пробой на защитный проводник РЕ или на человека, по нему потечет бОльший ток, чем он будет возвращаться по нулевому проводнику. Автоматический выключатель обнаружит это и отключит ток. Звучит неплохо, но:

1. Не каждая электросеть имеет устройства защитного отключения.
2. УЗО не защищает от короткого замыкания между фазой и нулевым проводом, особенно от короткого замыкания через тело человека.
3. Автоматический выключатель не сработает и при коротком замыкании телом, ведь ток КЗ будет максимум 220 мА, а типичный автоматический выключатель на 15 – 25 А.

Так что 100% гарантии от них нет.

Работа и измерение под напряжением

Рассмотрим реальный пример типового импульсного БП.

В верхней левой части схемы расположены входы сетевого напряжения. L — фазный проводник, N — нейтральный, а земля подключена к PE. Дополнительный дроссель фильтрации электромагнитных помех на схеме отсутствует, но есть конденсаторы CY1 и CY2, подключенные к земле. Имеют они типовое значение 4,7 нФ, на схеме 4700. За мостом находим основные фильтрующие конденсаторы, которые также являются накопителем энергии для преобразователя, это С3 и С4. CY3 — еще один подавляющий конденсатор, соединенный с землей. R1 и R2 разряжают конденсаторы, когда инвертор выключен. Они также выравнивают напряжение на них. C5 предотвращает протекание постоянного напряжения через первичную обмотку и, таким образом, насыщение трансформатора. C6 и R4 являются так называемыми демпферами, исключающими нежелательные всплески напряжения при переключении. Q1 и Q2 — основные переключающие транзисторы.

Есть диоды, защищающие контакты от отрицательного напряжения на разъемах CE, и элементы, необходимые для правильной поляризации баз во время переключения. Это делается схемой с управляющим трансформатором в двухтактной конфигурации, управляемым транзисторами Q7 и Q8, управляемыми драйвером, питаемым от вспомогательного преобразователя, который не включен в схему. Стоит обратить внимание на небольшую деталь: первичная обмотка подключается к транзисторам не сразу, а через дополнительные несколько витков на управляющем трансформаторе. Это интересная форма защиты от перегрузки по току: если через эти несколько витков протекает достаточный ток, сердечник намагничивается и открытый транзистор преждевременно закрывается. Еще одна деталь, которая будет важна позже: все точки GND на схеме подключены к защитному проводнику.

Кратко о работе блока питания

Полумостовой источник питания работает следующим образом: в первой половине цикла Q2 открывается, позволяя току течь из точки B+, где около 325 В, через обмотку ограничения тока и основную обмотку к точке между C3 и C4, где он будет быть около 162 В. Когда драйвер завершает эту фазу, Q2 отключается, что препятствует протеканию тока через обмотку. Через короткое время Q1 открывается, в результате чего энергия течет из точки между C3 и C4 через первичную обмотку Q1 в точку B-, где есть 0 В. Затем контроллер выключает Q1, и через короткое время цикл начинается снова. Вся последовательность повторяется от 25 000 до 150 000 раз в секунду.

Энергия передается на вторичные обмотки, когда один из транзисторов на первичной стороне проводит. При закрытии транзисторов на обмотке появляется колебание напряжения, которое устраняется супрессорной схемой и диодами, включенными параллельно транзисторам. По идее, в полумостовой схеме супрессор не нужна, но на практике ни один производитель не подбирает рабочую частоту под резонансную частоту трансформатора, поэтому могут появляться колебания, генерирующие помехи в радиодиапазоне. При нормальной работе Q1 и Q2 не могут быть открыты одновременно, иначе произойдет короткое замыкание.

Проблема в том что при исследовании первичной стороны такого блока питания наибольший интерес представляют осциллограммы между базами и эмиттерами транзисторов (хороший ли управляющий сигнал) и осциллограмма на первичной обмотке (выполняет ли свою задачу схема подавления). Также можем захотеть посмотреть что происходит с этой дополнительной обмоткой ограничения тока.

Значит начинаем измерения с помощью высоковольтного осциллографического щупа. Начнем с Vbe Q1. Прикрепляем зажим «крокодил» к контакту, а кончиком щупа или крючка цепляем основание. Удобнее всего будет сделать это с двух сторон от R5 – доступ лучше. Смотрим и делаем выводы. Теперь пришло время Q2. Подключим к R8. Но как только зажим-крокодил касается эмиттерной стороны Q2, его провод сильно нагревается и начинает дымить, и не только он. Если бы мы работали “через лампочку”, то есть была классическая лампочка мощностью несколько десятков ватт на фазном проводе, как это рекомендуется при работе с сетевыми преобразователями, то процесс разрушения будет идти медленно, пока не отключится зажим-крокодил или питание. Без лампочки процесс займет доли секунды. Что же только что произошло? Мы сделали контур заземления.

В каждом типе проводники N и PE соединены вместе. Даже по типу ТТ, где связь проходит через Землю. Вторым важным фактом является то, что разъемы BNC и экран внутри цифрового осциллографа соединены с землей. Это необходимо для защиты устройства от электромагнитного излучения, которое может мешать очень чувствительным входным цепям. Блоки питания в более совершенных осциллографах также экранированы, чтобы не создавать дополнительных проблем, как и входные цепи. Теперь понимание ситуации должно быть более простым.

Как только зажим-крокодил щупа осциллографа был подключен к эмиттеру Q2, он соединил эту точку с нейтралью через провод щупа, осциллограф и заземляющий провод. В зависимости от типа сети подключение производилось либо в розетку, либо в домашнее распределительное устройство, либо в трансформаторную подстанцию, либо через землю. Сопротивлением такого соединения обычно можно пренебречь из соображений безопасности.

Когда Q2 открывается, вся энергия от C3 и C4 плюс столько энергии, сколько может пройти через фазный провод и выпрямительный мост, прошла через этот транзистор, и этого будет достаточно чтобы вывести его из строя навсегда. Открытие Q2 создаст новый параллельный путь для энергии, если его сопротивление близко или ниже сопротивления контура заземления, этот транзистор также перегорит. Конденсатор С5 наверное тоже взорвется. Если повезет, это разорвет контур заземления до того как перегорят предохранители. Выпрямительный мост также может быть поврежден. Осциллограф проблему скорее всего переживет, хотя гарантии нет, а вот пробник вряд ли.

Подключение зажима щупа в любом месте на первичной стороне, кроме точек с нейтральным потенциалом, гарантирует катастрофическое короткое замыкание! Подключение зажима-крокодила на вторичной стороне или драйвере в любой точке, отличной от точки заземления, гарантирует короткое замыкание на землю.

Надеемся никому не придет в голову идиотская идея соединять зажимы-крокодилы двух щупов в точки с разными потенциалами, которые не должны встречаться.

Безопасные измерения с дифференциальным пробником

Высоковольтные пробники этого типа содержат активный дифференциальный усилитель и позволяют измерять достаточно высокие напряжения. Стоят они недешево, имеют ограниченный частотный диапазон. Разница напряжений между входами может быть от тысячи вольт и выше. Изолированные версии имеют худшую частотную характеристику, но обеспечивают полную гальваническую развязку между тестируемой схемой и осциллографом. Неизолированные пробники дешевле, имеют лучшую АЧХ, но не обеспечивают развязки – входы подключены к земле осциллографа через высокоомные резисторы, а значит, максимальное напряжение между входами и осциллографом не должно превышать допустимого значения.

Если тестируемое устройство чувствительно к току утечки, неизолированный пробник сделает измерения более трудными. Эти пробники не подходят для измерения малых перепадов напряжения – слишком низкая чувствительность к уровню шума. Но в нашем испытанном образце можем подключить оба провода датчика в любой точке. Это самый безопасный метод измерения в устройствах питающихся от сети, хотя и платим за него значительную цену. Для обычного радиолюбителя дороговато, но сервиснику или специалисту, работающему под напряжением, такой пробник будет очень полезен.

Безопасные измерения с двумя высоковольтными пассивными пробниками

Это измерение аналогично измерению с активным дифференциальным пробником, но с той разницей, что используем функциональность, доступную в каждом осциллографе как минимум с двумя каналами. А именно, осциллограф, настроенный на вычитание второго канала из первого. В зависимости от того, как работает интерфейс осциллографа, придется изменить полярность второго канала и добавить его к первому каналу или вычесть второй канал из первого. Профилактически отсоединяем зажимы-крокодилы от обоих щупов, а щуп, подключенный ко второму каналу, считается массовым, если пользоваться условностью дифференциальных щупов или мультиметров. Оба щупа должны быть одного типа и высокого напряжения не менее 1000 В. Если у них есть переключатель разделения, то они должны быть установлены на максимальное разделение.

Безопасные измерения с разделительным трансформатором

В этом методе разделительный трансформатор позволяет гальванически развязать тестируемую схему, в нашем случае источник питания, от остальной электросети. Некоторые трансформаторы все же имеют защитное соединение — это стоит запомнить. При использовании разделительного трансформатора на стороне устройства можем подключить зажим высоковольтного пробника в любой точке схемы – эта точка будет затем подключена к защитному проводнику через осциллограф. Но гальваническая развязка трансформатора предотвращает образование контуров заземления. Даже если подключим защитный провод к фазному проводу или точке B+, ничего страшного не произойдет.

Правда разделительный трансформатор не защищает от поражения электрическим током или случайного короткого замыкания. Кроме того, загрузка трансформатора большей мощностью, чем разрешено, повредит его.

Опасные измерения с помощью аналогового осциллографа

Старые аналоговые осциллографы не имеют стандартного разъема IEC. Вместо этого там двухжильный шнур питания. В этом случае осциллограф имеет отдельное заземление. Силовой трансформатор внутри обеспечивает гальваническую развязку, но после отключения заземления во избежание контуров заземления корпус, металлические переключатели и другие металлические элементы будут иметь тот же потенциал, что и разъемы BNC. Это означает, что можем провести необходимые измерения, как и в вышеописанных случаях, но на этот раз весь осциллоскоп запитан!

С ноутбуком работающим от батареи, или настольным компьютером, работающим от ИБП и отключенным от сети (монитор и другие компоненты также должны работать от ИБП), USB-осциллограф так же безопасен, как настольный осциллограф, работающий от ИБП или подключенный к сети разделительный трансформатор. Время работы ИБП ограничено несколькими минутами, но ноутбук может работать несколько часов в зависимости от модели и фактической емкости батареи.

Отрицательный полюс блока питания ноутбука часто подключают к PE. Безопасны только источники питания с вилкой без соединения PE.

USB-осциллографы с гальванической развязкой USB-порта или с соответствующим изолятором, приобретаемым отдельно, также будут отличным вариантом — гнезда BNC и один из контактов калибратора останутся под напряжением, а остальная часть компьютера — нет. Изоляция также должна включать изолированный источник питания.

Безопасные измерения с помощью осциллографа с изолированными входами

На рынке доступны осциллографы и скопометры, в которых каждый вход гальванически изолирован как от земли, так и от других входов или внутренних цепей осциллографа. Такое устройство позволяет производить любые измерения в схеме без риска возникновения коротких замыканий или контуров заземления. Цена за такую свободу действий очень высока. Если такой необходимости нет, будет дешевле купить изолированный дифференциальный пробник, чем покупать весь осциллограф или скопометр.

Измерения портативным и настольным мультиметром

Технически это довольно безопасный инструмент. Исключением являются плохо спроектированные мультиметры и самые дешевые бюджетные показометры, которые утверждают своими наклейками что соответствуют стандартам, но на самом деле таковыми не являются.

Настольные устройства, работающие от сетевого напряжения, безопасны, ведь за обеспечение изоляции от электроустановки отвечает внутренний трансформатор (классический или импульсный).

И мультиметры, и их щупы имеют классификацию CAT и некоторое напряжение. Наиболее распространенными классификациями являются CAT II и CAT III, редко CAT IV. Напряжения обычно 600 В и 1000 В. Проверка заключается в подключении устройства по назначению к заданному напряжению (ниже или равному допустимому рабочему напряжению), затем на эти же входы подается короткий вывод напряжения, значительно превышающего рабочее напряжение.

Испытание считается пройденным, если нет пробоя изоляции или других серьезных повреждений, которые могут угрожать жизни или здоровью пользователя. Значения выглядят так:

Категория CAT не гарантирует что измеритель выживет, но она информирует о шансах выжить самого человека.

Измерение высоких напряжений

Так как же проводятся измерения в устройстве, на которое подается напряжение, превышающее теоретически безопасное? Возможна (на свой страх и риск) следующая процедура:

1. Убедитесь, что выбран правильный диапазон измерений.
2. Убедитесь, что датчики подключены к правильным разъемам.
3. Включите устройство.
4. Коснитесь выбранных точек измерения щупами, держа пальцы над защитным кожухом.
5. После измерения выключите прибор.

Не касайтесь НИЧЕГО, кроме щупов, когда устройство находится под напряжением, и будьте осторожны чтобы ничего не закоротить кончиком щупа. Стандартные щупы можно заменить на зажимы-крокодилы, тогда их подключаем перед включением прибора, а отсоединяем после выключения.

Измерение тока выше 1 А должно занимать менее 10 секунд, если только не используете мультиметр с клещами или отдельный шунт для измерения больших токов.

Как измерять напряжения, значительно превышающие максимальный диапазон мультиметра: считаем длину разряда. Коэффициент преобразования обычно составляет 1 кВ на миллиметр дуги.

Также можете построить подходящий делитель напряжения. Например 100 резисторов по 1 МОм последовательно с разделением 99:1. Условием является использование соответствующих высоковольтных проводов и твердой изоляции самого делителя. Термоусадочной трубки и каптоновой ленты недостаточно – потребуется заливка трансформаторным маслом. Категорически не советуем собирать что-то подобное людям без необходимых знаний и опыта с напряжением выше 1 кВ!

Защитные меры

Можно купить защитные перчатки для работы под высоким напряжением. Резиновые модели работают с напряжением от 1 кВ до 12 кВ, а кожаные — до 30 кВ.

Важной покупкой для каждого владельца осциллографа будет высоковольтный пробник. Дифференциальные пробники стоят заметно дороже.

Выпускаются также высоковольтные мультиметровые щупы – они имеют длинные, хорошо изолированные измерительные наконечники, что защищает от случайного короткого замыкания и позволяет держать руки подальше от тестируемого устройства.

Теперь про неожиданный контур заземления при безопасном напряжении. Предположим, что собираем схему на базе Arduino или другой отладочной платы, запрограммированной и питаемой через USB. Захотим увидеть на осциллографе как выглядит осциллограмма тока на стороне положительного напряжения питания. Для этого в схеме есть измерительный резистор на линии 5 В – USB. Запитываем плату от компьютера. Подсоединим щуп к резистору — как только зажим-крокодил коснется ножки резистора, компьютер выключится или перезагрузится. Что случилось? Мы замкнули линию USB на землю. В зависимости от того, насколько хорошо спроектирована материнская плата компьютера, она либо отключила порт от питания, перезагрузилась из-за срабатывания защиты на плате или в блоке питания, либо сама плата или порт USB необратимо повреждены.

Такие измерения могут быть выполнены в основном четырьмя разумными способами:

• Питание макетной платы от блока питания или лабораторного блока питания, обеспечивающего гальваническую развязку.
• Выполнение дифференциального измерения с использованием двух каналов.
• Использование гальванического разъединителя USB.
• Использование осциллографа или скопометра с батарейным питанием.

Дополнительным вариантом является токовый пробник для осциллографа. Правда они не очень чувствительны, поэтому могут не дать точных измерений.

Помните: корпус компьютера, все корпуса портов и провода 0V/GND соединены вместе и с защитным/заземляющим проводом. Только разъемы LAN/Ethernet и традиционные телефонные модемы имеют гальваническую развязку!