Защитное заземление
Защитный экран, окружающий электростатический экран, предохраняет пользователя прибора от прикосновения к токоведущим частям, находящимся под высоким напряжением. Он должен подключаться к заземлению прибора и выдерживать ток, больший максимального выходного тока источника-измерителя (SMU) и тока от других источников, подключённых между LO клеммой и землёй. Если произойдёт случайное замыкание измерительных проводов, электростатического экрана или охранных проводников на заземлённый защитный экран, его потенциал относительно земли останется низким. Защитный экран также предохраняет от поражения сетевым напряжением, имеющимся внутри прибора. В этом случае он выступает в роли шасси прибора, которое также соединяется с землёй. Система защитного заземления является частью питающей сети для обеспечения этого соединения. Оборудование заземляется на вводе сети, гарантируя, что металлический корпус прибора безопасен при прикосновении. Даже если фазный провод коснётся корпуса изнутри, защитное заземление удержит потенциал корпуса на безопасном для прикосновения уровне.
Заземлённый защитный экран никогда не должен использоваться как электростатический. Даже хорошо спроектированный прибор создаёт ток в жиле сетевого шнура, соединяющей его с защитным заземлением. Ток через Y-конденсаторы в блоке питания и ВЧ токи от импульсного БП, протекая через индуктивное сопротивление заземляющей жилы в сетевом шнуре, могут создать напряжения помех между шасси прибора и внешними шинами защитного заземления. Результирующее напряжение проявляется как синфазная помеха между шасси и защитным заземлением. Это напряжение помехи доставляет проблемы, поскольку общий провод измерительного прибора не полностью изолирован от шасси (которое заземлено). Каждый прибор создаёт некоторые постоянные и переменные токи утечки через изоляцию от питающей сети и конечную ёмкость между общим проводом прибора и его защитным заземлением. Эта ёмкость понижает сопротивление изоляции для переменного тока. Мы не хотим, чтобы эти токи протекали через какую бы то ни было часть измерительной установки (Рисунок 4). Эти токи вызывают падения напряжения на измерительных проводах, а также на остальных сопротивлениях измерительной цепи.
 |
||
| Рисунок 4. | Иллюстрация создания тока синфазной помехи компонентами питающей сети, а также протекания через ёмкости изоляции переменных токов, вызываемых извне. |
|
Поскольку прибор может предназначаться для работы под «плавающим» потенциалом в сотни вольт относительно заземления, а все электростатические экраны должны подключаться к его общему проводу, нужно всегда иметь в виду, что эти экраны небезопасны для прикосновения.
Заземление экрана
Должен ли экран (подключенный к LO клемме прибора) соединяться с защитным заземлением? Да, но только если измерительная система не управляет потенциалом LO клеммы, и это должно быть сделано таким образом, чтобы исключить протекание тока через измерительные провода. В общем, единственная причина соединения LO с защитным заземлением заключается в том, чтобы удерживать синфазное напряжение на измерительных клеммах в допустимых пределах. Учитывая, что во многих конструкциях приборов LO клемма имеет «плавающий» потенциал, можно добавить высокоомный резистор (порядка 100 кОм) между ним и защитным заземлением.
Ток синфазной помехи
В разделе «Защитное заземление» было упомянуто, что сами приборы создают некоторый ток, вызывающий напряжение синфазной помехи VX (см. Рисунок 4). Эти синфазные токи – прямое следствие воздействия напряжений первичной и вторичной обмоток силового трансформатора на неэкранированную межобмоточную ёмкость.
На Рисунке 4 показан типичный силовой трансформатор для измерительных приборов с экранами на первичной и вторичной сторонах. Эти экраны выполняют ту же функцию, что и рассмотренные ранее экраны приборов. В случае с приборами, если часть чувствительной цепи остаётся неэкранированной, линии внешнего поля могут наводить в них токи. Это остаётся справедливым и для силового трансформатора, за исключением того, что в нём наведённые токи будут гораздо сильнее из-за близости первичной и вторичной обмоток и значительной величины напряжений обмоток. C1 представляет собой неэкранированную ёмкость между вторичной обмоткой и первичным экраном, а C2 – неэкранированную ёмкость между первичной обмоткой и вторичным экраном. Результирующий ток синфазной помехи является суммой токов через все эти ёмкости. Этот ток будет увеличиваться по мере роста напряжений на обмотках трансформатора или его рабочей частоты. Реактивное сопротивление неэкранированных ёмкостей трансформатора падает с ростом частоты, увеличивая синфазный ток.
Часть синфазного тока, начинаясь на первичной обмотке, течёт через ёмкость C2 в цепи вторичной обмотки, в шасси через измерительные провода и, наконец, возвращается к нулевому проводу первичной обмотки. Другая его часть, начинаясь на вторичной обмотке, через ёмкость C1 течёт в первичную цепь, через шасси к вводу питания, затем через измерительные провода и, наконец, возвращается к вторичной обмотке. Общий синфазный ток вызывает падения напряжения на индуктивном сопротивлении сетевого шнура, а также на проводнике между тестируемым устройством и «землёй» прибора. По этой причине лучше соединять все шасси, как предусмотрено в приборах, чтобы, по возможности, избежать добавления в систему нового соединения с защитным заземлением. Неэкранированная ёмкость и, в меньшей мере, сопротивление межобмоточной изоляции трансформатора могут внести токи помех от других источников, создающих различные потенциалы точек подключения к защитному заземлению по всему зданию.
Пример хорошо экранированной и заземлённой системы с одним источником-измерителем
В примере, показанном на Рисунке 5а, если LO клемма должна быть заземлена на стороне тестируемого устройства, либо напрямую, либо через ёмкость, токи заземления будут течь через измерительные провода, и понадобилось бы 4-проводное подключение для исключения влияния паразитного напряжения, созданного электрическим полем между двумя защитными заземлениями. На Рисунке 5б, если бы экран вокруг тестируемого устройства был заземлён, ток не протекал бы через измерительный LO провод. Тогда ёмкость между тестируемым устройством и экраном должна быть минимизирована. На Рисунке 5в экран заземлен через общий провод прибора и токоограничивающий резистор. В этом случае разность потенциалов между защитными заземлениями, представленная как VX, не вызывает никаких токов, поскольку есть только одна точка заземления.
 |
||
| Рисунок 5а. | С одним источником-измерителем, заземление тестируемого устройства либо напрямую, либо через ёмкость может создать путь для протекания тока через LO провод. |
|
 |
||
| Рисунок 5б. | При таком использовании источника-измерителя, заземление LO на стороне тестируемого устройства, напрямую либо через ёмкость, не приводит к протеканию паразитных токов через LO провод. |
|
 |
||
| Рисунок 5в. | С одним источником-измерителем, заземление экрана с прибором через резистор не приводит к паразитным токам в LO проводе. |
|
Во всех этих примерах охранный проводник должен быть проведен как можно ближе к тестируемому устройству и заканчиваться только внутри экрана.
Пример хорошо экранированной и заземлённой комплексной испытательной системы
На Рисунке 5г представлена испытательная система с двумя приборами. В такой конфигурации трудно предотвратить проникновение всех токов заземления в систему, поскольку здесь есть две различные точки заземления. Но можно уменьшить результирующий ток, соединив LO с защитным заземлением в одной точке через резистор и подключив экраны обоих приборов к экрану тестируемого устройства, как показано на Рисунке 5г. В этом случае основная часть тока потечёт через паразитные ёмкости и сопротивления обоих силовых трансформаторов и через соединённые экраны. Некоторый ток будет течь через измерительные провода, поэтому также понадобится 4-проводное подключение.
 |
||
| Рисунок 5г. | С двумя источниками-измерителями 4-проводные линии компенсируют ток, протекающий в проводах из-за использования двух разных точек заземления. |
|
Заключение
Большинство погрешностей измерения может быть связано с токами, наводимыми в тестируемом устройстве или измерительных проводах внешними электрическими (высокоимпедансными) полями. Добавление электростатического экрана, правильно заземлённого на LO клемму прибора, может полностью исключить эти источники помех. В некоторых случаях при работе с очень малыми токами вместо электростатического экрана или в дополнение к нему должна использоваться эквипотенциальная защита. Разность потенциалов точек защитного заземления, вызванная токами от оборудования с сетевым питанием, также может привести к погрешностям, если вызванный ею ток потечёт по измерительным проводам. Синфазный ток от приборов также вносит вклад в погрешности. Силовой трансформатор прибора замыкает цепь этого тока, поэтому любое подключение к защитному заземлению должно выполняться так, как было описано. Защитный экран, обеспечивающий безопасность оператора, даёт, вдобавок, некоторое экранирование низкочастотного радиоизлучения. Если общий провод прибора соединён с защитным заземлением через относительно высокоомный резистор, энергия РЧ излучения не проникнет в прибор, и паразитные напряжения от выпрямления электромагнитной помехи могут быть сведены к минимуму.
