Uziemianie i ekranowanie w układach o wysokiej impedancji

Zjawiska elektrostatyczne

Rys. 1. Poprawne użycie ekranu w systemie pomiarowym. Ekran elektrostatyczny jest uziemiony do masy układu. Oba wyprowadzenia, potencjałowe i zerowe, są ekranowane

Punktowymi źródłami pola elektrostatycznego są ładunki i naładowane cząstki. Pole to rozciąga się pomiędzy ładunkami dodatnimi a ujemnymi. Ładunki różnoimienne się przyciągają, a jednoimienne odpychają. Pole elektryczne magazynuje energię, która jest ilościowo proporcjonalna do ładunku. Natężenie prądu zakłócającego w przewodach pomiarowych jest wprost proporcjonalne do natężenia tego pola.

Zależności pomiędzy ładunkiem a napięciem jest wyznaczana przez pojemność pomiędzy dwoma elementami przewodzącymi. Energia zmagazynowana w tym polu jest równa połowie iloczynu pojemności przez kwadrat napięcia. Napięcia zawsze wiążą się z rozkładem dodatnich i ujemnych ładunków, także gdy jeden z naładowanych przewodników jest uziemiony.

Sprzężenie elektrostatyczne

Rys. 2. Poprawne użycie osłony w systemie pomiarowym. Oba wyprowadzenia, potencjałowe i zerowe, albo są ekranowane, albo osłaniane, a obudowa UT zapewnia mu całkowite ekranowanie elektrostatyczne

Ładunki niezwiązane z obwodem pomiarowym wywołują liczne problemy pomiarowe. Jeżeli w przestrzeni wokół niezaekranowanych obwodów pomiarowych rozmieszczone są ładunki, będą one oddziaływać na przewody pomiarowe, tworząc w nich ładunek lustrzany (dopełniający ładunek przeciwnego znaku), czego skutkiem może być prąd stały upływu. Jeżeli w przestrzeni wokół obwodu pomiarowego porusza się ładunek lub przewód pod napięciem, przez pojemność do obwodu pomiarowego może dopływać prąd przemienny.

Zewnętrzne przewody pod innym niż obwód pomiarowy napięciem oddziałują tak samo jak ładunki punktowe. Zmiana napięcia w zewnętrznym obwodzie wywoła odpowiednią zmianę w obwodzie pomiarowym. W obu przypadkach pomiary są zakłócane. Wszystkie pola elektryczne otaczające przewody pomiarowe wzbudzają w nich prądy zakłócające. Przeważnie dominują pola elektryczne za wyjątkiem przypadków prądów o dużym natężeniu lub z pobliża transformatorów czy źródeł magnetycznych, wytwarzających silne pola magnetyczne. Obwody pomiarowe powinny być izolowane ekranami od zewnętrznych pól elektrycznych i obwodów zewnętrznych.

Sprzężenia w.cz.

Energia w.cz. jest wszechobecna. Każdy nieco dłuższy przewodnik, jak przewody łączące mierniki z urządzeniami, działają dla tej energii jak antena. Nawet jeśli promieniowanie to nie mieści się w paśmie działania testowanego układu (DUT) i miernika, wzbudza prądy w przewodach-antenach. Jeśli prądy te wejdą w kontakt ze wzmacniaczami w mierniku, mogą zostać wyprostowane i wprowadzać do pomiaru błąd stałonapięciowy.

Dlatego doprowadzenia i potencjałowe, i zerowe być ekranowane, aby prądy zakłócające płynęły jedynie ekranami. Do zabezpieczania całych urządzeń używa się ekranów zewnętrznych. Wszelkie otwory i szpary w tych ekranach muszą mieć rozmiary mniejsze od λ/2, gdzie λ oznacza długość fali częstotliwości zakłócającej.

Sprzężenia magnetyczne

Sprzężenia magnetyczne nie są wywoływane prądami płynącymi w przewodach pomiarowych, lecz przez napięcia indukowane zgodnie z prawem Faradaya. Pole magnetyczne w przeciwieństwie do pola elektrycznego jest polem o niskiej impedancji. Przewodniki służące jako ekrany magnetyczne wykazują się impedancją dopasowaną do pola magnetycznego, nie odbijają więc energii. W celu ekranowania przed polem magnetycznym albo trzeba użyć materiału magnetycznego (µ-metal dla napięć stałych lub niskich częstotliwości), albo ekran pochłaniający energię musi być dostatecznie gruby.

Ekranowanie

Rys. 3. Konfiguracja ekranu i osłony w elektrometrze

Ekrany służą do eliminacji lub tłumienia prądów zakłócających pomiary. Prądy te mogą być wzbudzane przez punktowe lub rozłożone źródła ładunku, wytwarzające pola elektryczne. Na przykład poruszający się człowiek przemieszcza ze sobą statyczny ładunek, którym jest naładowany. Przemienne pole sieci energetycznej w laboratoriach lub pomieszczeniach produkcyjnych, a także na zewnątrz, może wywoływać zakłócające zmienne pola elektryczne.

Jeśli DUT jest uziemione na zewnątrz swojej obudowy, inny potencjał uziemienia (odmiennego od uziemienia miernika) jest źródłem innego pola elektrycznego, indukującego prądy zakłócające w przewodach pomiarowych. Dodatkowym elementem układów zakłócających jest pojemność izolacji pomiędzy uzwojeniami transformatora w zasilaczu miernika.

Burze i zmiany w otaczającym środowisku również zmieniają pole elektryczne. Także promieniowanie źródeł w.cz. może generować prądy w przewodach pomiarowych, które po wyprostowaniu mogą zaburzać działanie miernika. Nie należy też zapominać o polu elektrycznym pomiędzy Ziemią a górnymi warstwami atmosfery, które nawet przy dobrej pogodzie dochodzi do około 100 V/m.

Ekranowanie elektrostatyczne

Rys. 4. Generujące prąd wspólny elementy zasilacza oraz pojemności izolacji, przez które prądy przemienne z zewnątrz przenikają

Ekrany elektrostatyczne służą do przeciwdziałania wpływom zewnętrznych pól elektrycznych na obwody pomiarowe za pomocą odchylających je powierzchni ekwipotencjalnych. Wzajemnym sprzężeniom wewnętrznych obwodów ze sobą zapobiega uziemienie ekranu do zera w mierniku. Dzięki temu wewnętrzne węzły pomiarowe widzą jedynie masę miernika (rys. 1).

Ekran jest skuteczny tylko wtedy, gdy osłania cały węzeł pomiarowy. Konstrukcja przyrządu powinna zawierać takie ekrany wszędzie gdzie trzeba i zapewniać ich przedłużenie na zewnątrz. Ekrany są przydatne w każdych pomiarach, ale są niezbędne podczas pomiarów przy wysokich impedancjach (>100 kΩ). Zakłócające napięcie wynosi U = i·R, gdzie i jest prądem sprzężenia, a R impedancją miernika. Ekrany takie nie zapobiegają przepływom prądów stałych czy przemiennych pomiędzy miernikiem i ekranem, chronią tylko przed zewnętrznymi zakłóceniami elektrostatycznymi.

Osłona sterowana (guard, szczelny ekran o tym samym potencjale co osłaniany element) oprócz zadań zwykłego ekranu ma także służyć do eliminowania prądów upływu z obwodu pomiarowego do osłony (rys. 2). Osłona jest po prostu ekranem, ale buforowanym lub sterowanym przez napięcie obwodu pomiarowego, a nie połączonym z masą przyrządu. Ma na celu wyeliminowanie pola elektrycznego pomiędzy osłoną a obwodem pomiarowym. Osłony są używane w miernikach prądów o bardzo małym natężeniu, mniejszym od 1 nA (elektrometrów) lub w źródłach takich prądów.

Przy pomiarach bardzo małych prądów osłaniane muszą być przede wszystkim węzły pomiarowe. Mierniki i źródła tych prądów muszą mieć osłony wewnętrzne. Dodatkowe ekranowanie osłanianych węzłów pomiarowych nie jest wymagane, ale pozostałe obwody powinny być ekranowane. Jeśli węzeł pomiarowy elektrometru jest na potencjale ziemi (rys. 3), za osłonę może służyć zwykły ekran.

Podstawowa różnica pomiędzy ekranem a osłoną polega na tym, że ekran chroni przed zewnętrznymi polami, a osłona ogranicza stały prąd upływu węzła pomiarowego, otaczając go przewodzącą ochroną o tym samym, co węzeł, potencjale.

Uziemienie bezpieczeństwa

Rys. 5a. Przy pojedynczym przyrządzie pomiarowym uziemienie DUT bezpośrednio lub przez pojemność może wprowadzać prądy uziemienia do zerowego przewodu pomiarowego

Otaczające ekrany elektrostatyczne ekrany bezpieczeństwa zabezpieczają użytkownika miernika przed niebezpiecznymi napięciami w testowanym urządzeniu lub przewodach pomiarowych. Ekran bezpieczeństwa powinien być połączony z uziemioną masą przyrządu i powinien być zdolny do przewodzenia prądu przewyższającego maksymalną wydajność prądową miernika i wszystkich połączonych z masą źródeł prądu. Ekran bezpieczeństwa zapewnia wówczas użytkownikowi bezpieczny potencjał zewnętrznych części przyrządu, nawet w razie zwarcia z jego masą napięcia sieci energetycznej.

Uziemiony ekran bezpieczeństwa nie może być nigdy używany w roli ekranu elektrostatycznego. Nawet w poprawnie zaprojektowanych miernikach powstają prądy, płynące przez uziemienie bezpieczeństwa przewodem sieciowym. Prądy kondensatorów zasilacza, czy prądy wyższej częstotliwości zasilacza impulsowego, mogą w uziemionym chassis przyrządu wytwarzać zakłócające napięcia względem zewnętrznego uziemienia bezpieczeństwa, gdy prąd płynie przez indukcyjności przewodu sieciowego.

Napięcia te przedostają się jako napięcia wspólne z uziemienia bezpieczeństwa do chassis przyrządu. Są one źródłem kłopotów, ponieważ punkt odniesienia pomiarów nie jest całkowicie odizolowany od uziemionego chassis miernika. W każdym mierniku przez sieciową barierę izolacyjną i sumaryczną pojemność pomiędzy masą miernika a jego uziemieniem bezpieczeństwa przedostają się prądy upływu, stały i przemienny. Ta pojemność ułatwia przepływ prądu przemiennego. Żaden z tych prądów nie powinien płynąć żadnym fragmentem ścieżki pomiarowej (rys. 4). Prądy te tworzą spadki napięcia na przewodach pomiarowych, jak również na innych impedancjach obwodu pomiarowego.

Mierniki mogą się czasem znaleźć na napięciach nawet setek woltów ponad uziemieniem, a ekran może być połączony z masą miernika, końcówki pomiarowe i ekran elektrostatyczny nie powinny być zatem uważane za zawsze bezpieczne.

Uziemianie ekranu

Czy ekran miernika (który jest jego masą) powinien być połączony z uziemieniem bezpieczeństwa? Może, ale tylko wtedy, gdy aplikacja nie wysterowuje masy i gdy nie dopuszcza do przepływu prądów ekranowania przewodami pomiarowymi. Z perspektywy miernika jedynym uzasadnieniem tego połączenia jest utrzymanie końcówek pomiarowych w ramach specyfikacji napięć wspólnych miernika. Jeśli zerowa końcówka pomiarowa jest swobodna, jak bywa w licznych konstrukcjach, łączy się ją z uziemieniem bezpieczeństwa rezystorem o dużej rezystancji (~100 kΩ).

Prąd wspólny

Rys. 5b. Taki sposób uziemienia DUT, bezpośrednio lub przez pojemność, przy pojedynczym przyrządzie pomiarowym nie wprowadza prądów uziemienia do zerowego przewodu pomiarowego

Trzeba mieć na uwadze, że i sam miernik może częściowo przyczyniać się do powstawania prądu wywołującego napięcie wspólne U_x (rys. 4). Te prądy wspólne powstają pod bezpośrednim wpływem napięć pierwotnego i wtórnego uzwojenia transformatora zasilającego, oddziałujących na nieekranowaną pojemność transformatora.

Na rysunku 4 przedstawiono typowy transformator miernika z ekranami uzwojeń pierwotnego i wtórnego. Ekrany te pełnią tę samą funkcję, co już omówione ekrany miernika. W przypadku takiego ekranu miernika, który pozostawia niezaekranowaną część obwodu pomiarowego, zewnętrzne pole może do niego wprowadzić prąd zakłócający. Odnosi się to też do transformatora, pomimo bliskości uzwojenia pierwotnego i wtórnego, niezależnie od wielkości napięć.

Prądy te mogą być znacznie wyższe przy braku ekranów w transformatorze. Kondensator C1 przedstawia pojemność nieekranowanego uzwojenia wtórnego do ekranu uzwojenia pierwotnego. To jest nieekranowana część uzwojenia pierwotnego. Podobnie, C2 przedstawia pojemność nieekranowanej pojemności uzwojenia pierwotnego do ekranu uzwojenia wtórnego. Całkowity prąd wspólny jest sumą prądów, płynących przez obie pojemności. Prąd ten wzrasta ze wzrostem napięć pierwotnego i wtórnego transformatora oraz ze wzrostem częstotliwości. Niezaekranowana pojemność tworzy impedancję malejącą ze wzrostem częstotliwości i przyczynia się do wzrostu prądu wspólnego.

Powstający w uzwojeniu pierwotnym prąd wspólny płynie przez pojemność C2 do obwodów wtórnych, przewodami pomiarowymi do chassis i powraca w końcu do uziemienia pierwotnego, gdzie powstał. Powstający w uzwojeniu wtórnym prąd wspólny płynie przez pojemność C1 do chassis w module wejściowym zasilania, przez przewody pomiarowe, i na koniec powraca do uziemienia wtórnego, gdzie powstał.

Wypadkowy prąd wspólny wywołuje spadek napięcia na indukcyjności przewodu sieciowego miernika, a także na połączeniu uziemiającym pomiędzy DUT a miernikiem. Dlatego, jeśli to tylko możliwe, należy korzystać z połączenia chassis z miernikiem, aby uniknąć wprowadzania do systemu nowego uziemienia bezpieczeństwa. Niezaekranowana pojemność i w mniejszym stopniu stałoprądowa rezystancja przez transformator mogą przenosić prądy zakłócające z innych źródeł, które są wywoływane przez różnice w potencjałach w uziemieniach bezpieczeństwa w budynku.

Przykład dobrze ekranowanego i uziemionego układu pomiarowego

Rys. 5c. Przy pojedynczym przyrządzie pomiarowym uziemienie ekranu miernika za pośrednictwem rezystora nie wprowadza prądów uziemienia do zerowego przewodu pomiarowego

W przykładzie pokazanym na rysunku 5a, gdy zerowa końcówka miernika ma zostać uziemiona wraz z zerową końcówką DUT, bezpośrednio lub przez pojemność, prądy uziemienia będą płynęły przewodami miernika, a do eliminacji generowanego przez pole elektryczne pomiędzy dwoma uziemieniami bezpieczeństwa napięcia błędu będzie musiał zostać użyty zdalny czujnik. Jeśli ekran otaczający DUT został połączony z uziemieniem, jak na rysunku 5b, prąd nie będzie przepływał zerowym przewodem miernika.

W tym przypadku pojemność pomiędzy DUT a otaczającym go ekranem powinna zostać zminimalizowana. Na rysunku 5c ekran miernika jest połączony z ziemią za pośrednictwem ograniczającego prąd rezystora. W tym przypadku potencjał U_x pomiędzy uziemieniami bezpieczeństwa nie wymusza żadnego prądu, ponieważ zastosowano jedynie jedno uziemienie bezpieczeństwa. We wszystkich tych przykładach osłona powinna być prowadzona możliwie najbliżej DUT i kończyć się dopiero wewnątrz jego ekranu.

Przykład dobrze ekranowanego i uziemionego wielokrotnego układu pomiarowego

Na rysunku 5d przedstawiono system z dwoma układami pomiarowymi. W tym przypadku przeciwdziałanie przedostawaniu się wszelkich prądów uziemiających do mierników jest trudne z powodu istnienia dwóch różnych połączeń uziemienia bezpieczeństwa. Zatem powstający prąd może być redukowany przez połączenie przewodu zerowego do uziemienia bezpieczeństwa przez dużą rezystancję w jednym tylko punkcie, i przez połączenie obu ekranów z ekranem DUT, jak pokazano na rysunku 5d. Wtedy większość prądu będzie płynąć przez oba transformatory i przez system ekranowy, ale część prądu popłynie przewodami pomiarowymi, więc będą potrzebne zdalne czujniki.

Zakończenie

Rys. 5d. System z dwoma układami pomiarowymi

Za przyczynę większości błędów pomiarowych można uznać prądy wzbudzone w DUT lub w przewodach pomiarowych przez zewnętrzne pola elektryczne. Wprowadzenie ekranu elektrostatycznego poprawnie uziemionego z przewodem zerowym miernika może całkowicie wyeliminować te źródła zakłóceń. W niektórych przypadkach, w aplikacjach do bardzo małych prądów, zamiast lub oprócz ekranu trzeba używać osłon.

Różnice w uziemieniu bezpieczeństwa wywołane prądami uziemień bezpieczeństwa, powstającymi w aparaturze zasilanej z sieci energetycznej, również mogą wywoływać błędy pomiarowe. Prądy te wzbudza transformator miernika, a wszelkie połączenia z uziemieniem bezpieczeństwa należy wykonywać w opisany sposób.

Ekran bezpieczeństwa chroniący operatora zapewnia dodatkowo pewien stopień ekranowania przed niezbyt wysokimi w.cz. Jeśli masa przyrządu jest połączona z uziemieniem bezpieczeństwa rezystorem o stosunkowo dużej rezystancji, to energia w.cz. nie przedostanie się do przyrządu i napięcia wywoływane prostowaniem EMI pozostaną minimalne.

KKP