Сторонние потенциалы в цепях электропитания

В силовых электрических цепях, для гальванической изоляции между ними, используется практически только трансформатор. Естественно, существуют механические, оптические и даже акустические системы передачи энергии через изоляционный барьер. Но все они имеют малый КПД, поэтому в силовых системах применяются в основном трансформаторы, реже механические приводы. Эти громоздкие устройства используют не только для согласования нагрузки, но и для защиты от сторонних потенциалов.

А вот для передачи информационных сигналов находят преимущество изолирующие операционные усилители, о которых я писал в прошлой статье. Потому что здесь трансформаторы имеют существенный недостаток — высокая зависимость сопротивления канала от частоты сигнала. А сторонние потенциалы способны не только внести серьёзные искажения, но и повредить электронное оборудование. Также они угрожают операторам и пользователям поражением электрическим током.

Что делает гальваническая развязка?

Для того, чтобы направить электрический ток из генератора, т.е. источника создания разности потенциалов, в нужную установку, используют проводники. Обычно это провода или дорожки печатной платы, также различные токопроводящие материалы (шасси, шины и пр.), покрытые (или не покрытые) изоляцией. Она нужна для того, чтобы утечки тока из проводника снизить до минимума, также для того, чтобы не возникали нежелательные электрические цепи.

Проводники электрического тока.

Так вот, если генератор или источник напряжения (разности потенциалов) один, то сформировать нужные пути протекания электрического тока сравнительно просто:

· Ток будет протекать по проводам или дорожкам до нужных элементов цепи;

· Величина и направление тока будет зависеть от напряжения на выходе генератора и сопротивлений в цепи;

· Если в цепи имеются полупроводниковые приборы, то характер поведения тока зависит от используемой топологии (схемы подключенных активных и пассивных компонентов).

Электрическая цепь с одним источником напряжения.

Но что произойдёт, если в такой цепи к точке проводника подключить один из полюсов напряжения или в нём самом возникнет ЭДС? Характер протекания токов будет зависеть уже не только от напряжения основного генератора, но и от электрической связи всех элементов цепи со вторым полюсом дополнительно подключенного или сгенерированного напряжения.

Электрическая цепь со сторонними генераторами потенциалов.

А вот топология электронной схемы будет уже совсем отличительной, в зависимости от точки подключения сторонних потенциалов. Но самое опасное, это то, что если образуется дополнительная разность потенциалов выше максимально допустимого пробивного напряжения электронных компонентов цепи, то неминуемо произойдёт их повреждение. И если электрический пробой, не приводящий к критическому росту тока, может восстановится, то пробой изоляции повреждает электронный компонент навсегда.

Повреждённый грозой электронный модуль.

Ещё, в электронных схемах генераторов, ключей и усилителей есть пороговые значения параметров, при которых происходит включение/выключение или переход в иной режим работы. Поэтому предугадать работу схемы на подобные случай крайне трудно. Так что даже при кратковременном воздействии на какую-либо точку участка электронной цепи сторонних напряжений, работоспособность её нарушится или вообще, схема может выйти из строя.

Также, если прибор рассчитан на работу от низковольтного источника питания, то степень защитной изоляции будет соответствующей. Но что, если в такой цепи появится сторонний высокий потенциал, например, относительно земли? В этом случае пользование прибором становится небезопасным.

Пробой изоляции в измерительном приборе.

Так вот, гальваническая развязка разделяет цепи, вводя изоляцию между ними. Электрическая энергия через трансформаторный барьер передаётся преобразованием сначала в магнитную энергию, а потом обратно в электрическую. Таким же путём можно передавать информацию управления нагрузкой (применяется в электромагнитных реле) или сигнал (в согласующих трансформаторах).

ВАЖНО ЗНАТЬ: Степень изоляции в трансформаторной гальванической развязке зависит от сопротивления и пробивной способности материала, расположенного между витками первичных относительно вторичных обмоток.

Два типа трансформаторов, отличающихся размещением обмоток, и пробивной изоляцией.

Причём в трансформаторах с помощью коэффициента трансформации удаётся согласовать сопротивление нагрузки с параметрами питающего её напряжения. Естественно, это актуально лишь для переменного или импульсного тока. Для постоянных напряжений необходимо дополнять топологию, как минимум, генератором и выпрямителем.

Откуда берутся сторонние электрические потенциалы?

Основным мощным источником сторонних потенциалов является питающая сеть. Так как в её цепях имеются ёмкости, связанные с другими фазами переменного напряжения и индуктивности. Также электродвигатели, работающие от сети, из-за инерции статора, могут генерировать своё напряжение, отличающееся по фазе с питающим. Всё это при наложении друг на друга может вызывать в разных точках цепи потенциалы, которые отличаются от прогнозируемых.

На практике же источников сторонних потенциалов несколько.

1. Электростатическая индукция

Это один из самых распространенных источников сторонних потенциалов. Когда заряженный объект приближается к проводнику, он вызывает перераспределение зарядов в этом проводнике. Положительные заряды в проводнике будут притягиваться к отрицательному заряду объекта, а отрицательные — отталкиваться. Это перераспределение зарядов создает индуцированный электрический потенциал в проводнике, который зависит от величины и расстояния до внешнего заряда.

Понятие электростатической индукции.

Примеры:

· Близость заряженных проводов — вблизи силовых линий электропередач или других проводников с высоким напряжением, соседние металлические конструкции, антенны или даже корпуса электронных устройств могут приобретать сторонние потенциалы.

2. Электромагнитная индукция

Изменяющиеся во времени магнитные поля способны наводить электрические токи и, соответственно, электрические потенциалы в проводниках. Это явление, открытое Фарадеем, лежит в основе работы генераторов и трансформаторов, но также может быть источником нежелательных сторонних потенциалов.

Эффект электромагнитной индукции.

Примеры:

· Близость силовых кабелей — переменный ток, протекающий по силовым кабелям, создает переменное магнитное поле. Это поле может индуцировать сторонние потенциалы в близлежащих проводниках, таких как кабели данных, антенны или даже корпуса электронных устройств.

· Электромагнитные помехи (EMI) — работа различных электроприборов, таких как двигатели, трансформаторы, радиопередатчики, может создавать электромагнитные поля, которые наводят сторонние потенциалы в проводниках и чувствительных электронных схемах.

3. Электрические поля земли и атмосферы

Наша планета сама по себе является огромным электрическим конденсатором. Существует постоянное электрическое поле земли, направленное от ионосферы к поверхности. Кроме того, атмосферные явления, такие как грозы, молнии и даже обычная облачность, могут создавать значительные электрические поля и потенциалы.

Электростатическое поле земли.

Примеры:

· Измерения в полевых условиях — при проведении точных электрических измерений на открытом воздухе, особенно вблизи грозовых облаков, необходимо учитывать влияние естественных электрических полей земли.

· Электростатические разряды — в сухую погоду, особенно вблизи объектов, накапливающих статический заряд, могут возникать разряды, связанные с естественными электрическими полями.

4. Термоэлектрические эффекты (эффект Зеебека)

При наличии разницы температур между двумя различными проводниками или полупроводниками, соединенными между собой, возникает разность потенциалов. Это явление, известное как эффект Зеебека, может приводить к возникновению сторонних потенциалов, особенно в системах с неравномерным нагревом.

Эффект Зеебека.

Примеры:

· Неравномерный нагрев компонентов — в электронных устройствах, где некоторые компоненты нагреваются сильнее других, может возникать термоэлектрический потенциал между различными частями схемы.

· Датчики температуры — эффект Зеебека используется в термопарах для измерения температуры, но в других случаях он может быть источником нежелательных потенциалов.

5. Гальванические потенциалы (электрохимические эффекты)

Когда два различных металла контактируют в присутствии электролита (например, влаги), между ними возникает разность потенциалов. Это связано с различной склонностью металлов отдавать электроны. Этот эффект лежит в основе работы гальванических элементов (батареек), но также может приводить к возникновению нежелательных сторонних потенциалов в системах, где присутствуют разнородные металлы и влага.

Процессы возникновения гальванических потенциалов.

Примеры:

· Коррозия металлов — влажная среда, где присутствуют различные металлы, может привести к гальванической коррозии, сопровождающейся возникновением сторонних потенциалов.

· Печатные платы — на печатных платах, где используются различные металлические дорожки и компоненты, при наличии влаги могут возникать гальванические потенциалы.

6. Пьезоэлектрические эффекты

Некоторые материалы, такие как кварц и определенные керамики, генерируют электрический заряд при механическом воздействии (сжатии, растяжении). Этот эффект, известный как прямой пьезоэлектрический эффект, может приводить к возникновению сторонних потенциалов в ответ на вибрации или механические нагрузки.

Пьезоэлектрический эффект.

Примеры:

· Вибрации в электронных устройствах — вибрации от работы двигателей, жестких дисков или даже внешние механические воздействия могут вызывать пьезоэлектрические потенциалы в компонентах, содержащих пьезоэлектрические материалы.

· Микрофоны и датчики — прямой пьезоэлектрический эффект используется в микрофонах и некоторых типах датчиков, но в других случаях он может быть источником нежелательных сигналов.

7. Эффекты в полупроводниках

В полупроводниковых приборах, таких как диоды и транзисторы, возникают внутренние электрические поля и потенциалы, связанные с p-n переходами, легированием и работой устройства. Эти потенциалы, хотя и являются частью функциональности прибора, могут рассматриваться как "сторонние" по отношению к внешним цепям, если они не учитываются при проектировании.

Схема образования электрического поля E на границе раздела p-типа и n-типа полупроводников.

Примеры:

· Потенциал смещения — в транзисторах и диодах существуют внутренние потенциалы, которые определяют их рабочие характеристики.

· Наведенные заряды — в полупроводниковых структурах могут накапливаться наведенные заряды, создавая локальные потенциалы.

8. Внешние источники электромагнитного излучения

Радиоволны, микроволны и другие формы электромагнитного излучения, исходящие от различных источников (радиостанции, мобильные телефоны, Wi-Fi роутеры), могут наводить сторонние потенциалы в проводниках и электронных схемах.

Антенны электромагнитного излучения.

Примеры:

• Радиопомехи — сильные радиосигналы могут наводить потенциалы в антеннах и кабелях, вызывая помехи в работе радиоприемников и другой аппаратуры.
• Электромагнитная совместимость (EMC) — при проектировании электронных устройств важно учитывать их электромагнитную совместимость, чтобы минимизировать влияние внешних излучений и предотвратить наведение сторонних потенциалов.
• СВЧ-печи и другие подобные приборы имеют сильный источник электромагнитного излучения.

Как бороться со сторонними потенциалами?

Для минимизации или устранения нежелательных сторонних потенциалов применяются различные методы:

· Экранирование — использование металлических корпусов или специальных экранирующих материалов для защиты чувствительных устройств от внешних электромагнитных полей;

· Заземление — правильное заземление электронных устройств и систем помогает отводить нежелательные заряды и выравнивать потенциалы;

· Фильтрация — применение фильтров для подавления нежелательных частот в сигналах, которые могут наводить сторонние потенциалы;

· Симметричные линии передачи — использование симметричных кабелей (например, витой пары) для передачи сигналов, что снижает восприимчивость к внешним помехам;

· Оптимизация топологии печатных плат — правильное расположение компонентов и трассировка дорожек на печатной плате может уменьшить наводки;

· Выбор материалов — использование материалов с низким коэффициентом термоэлектрического или пьезоэлектрического эффекта в критических местах;

· Контроль температуры — поддержание равномерной температуры в электронных устройствах для минимизации термоэлектрических эффектов.

Способы нейтрализации действия сторонних потенциалов.

Заключение

Сторонние электрические потенциалы — это неотъемлемая часть нашего электромагнитного мира. Они могут возникать из множества источников, как естественных, так и искусственных. Понимание их природы и способов возникновения позволяет инженерам и исследователям создавать более надежные, точные и безопасные электронные системы и проводить корректные измерения.