Проектирование безопасных схем

В предыдущих статьях мы с вами увидели, что незаземленная система питания непредсказуема с точки зрения безопасности. В такой системе не существует гарантии наличия или отсутствия какого-либо напряжения между любой точкой схемы и землей. Заземлив один провод источника напряжения (сделав его электрически общим с землей), мы уже будем уверены, что по крайней мере одна сторона электрической схемы не будет представлять опасности поражения электрическим током. В простой двухпроводной системе электропитания провод, соединенный с землей, называют общим, а другой провод - фазовым:

Не имеет абсолютно никакого значения, к какой стороне источника напряжения и нагрузки вы подключите заземление. Оно нужно исключительно для обеспечения безопасности персонала, гарантируя, что хотя бы одна точка цепи будет безопасной на ощупь (нулевое напряжение относительно земли). Если источник напряжения не будет отключен от цепи, то прикосновение к "фазовому" проводу может быть опасно для жизни.

Такой дисбаланс опасности между двумя проводами простой схемы очень важен для понимания. В следующих примерах мы будем использовать систему электроснабжения общего пользования (для простоты мы будем использовать источник постоянного тока вместо переменного).

Давайте рассмотрим такой бытовой электроприбор, как тостер с металлическим корпусом. При нормальном режиме работы он не представляет опасности поражения электрическим током, потому что провода, подводящие электричество к его нагревательному элементу, изолированы от корпуса резиной или пластмассой:

Однако, если один из проводов внутри тостера случайно пришел в соприкосновение с его корпусом, делая их электрически общими, то прикосновение к этому тостеру может быть опасно, а может быть и не опасно. Все зависит от того, какой из проводов вступил в контакт с корпусом:

Если с корпусом контактирует "фазовый" провод, то пользователь тостера имеет все шансы получить удар током. Если такой контакт возник с "общим" проводом, то опасности поражения не существует:

В целях избежания ударов электрическим током, инженеры проектируют бытовые приборы таким образом, чтобы минимизировать случайный контакт фазового провода с корпусом. В идеале вообще ни один провод случайным образом не должен контактировать с корпусом прибора, но, так как идеальных ситуаций не бывает, существуют такие способы проектирования, которые делают случайный контакт одного провода с корпусом менее вероятным, чем контакт другого провода. Однако, такая профилактическая мера эффективна только в том случае, если полярность вилки может быть гарантирована. Если же вилку в розетку можно воткнуть как угодно, то эта мера теряет смысл:

Разработанные вышеописанным способом приборы выпускаются с "поляризованными" вилками, один штырек которых немного тоньше другого. Розетки, которые используются под эти вилки, так же имеют отверстия разной толщины. Таким образом, вилка не может быть вставлена в розетку "задом наперед", что гарантирует идентичность проводов внутри прибора. Этот способ проектирования не оказывает никакого влияния на основные функции устройства, он используется исключительно в целях безопасности пользователя.

Некоторые инженеры поступают проще, они делают корпуса своих устройств из непроводящих материалов. Если провод внутри такого устройства вступит в случайный контакт с его корпусом, то его непроводящий материал исключит поражение электрическим током.

Другие инженеры решают проблему металлического корпуса с помощью третьего провода, который соединяет этот корпус с землей:

Третий контакт на шнуре питания обеспечивает прямое электрическое соединение корпуса прибора с заземлением, делая их электрически общими друг с другом. Между электрически общими точками, как вы уже знаете, не может быть никакого напряжения. Если фазовый провод случайно прикоснется к металлическому корпусу, то возникнет короткое замыкание источника питания через провод заземления, которое заставит сработать устройство защиты от сверхтоков. Человек в этом случае будет в безопасности.

Ни в коем случае не удаляйте третий контакт из вилки, пытаясь воткнуть ее в розетку с двумя отверстиями. Сделав это, вы оставите корпус устройства без заземления. Само устройство при этом по-прежнему будет функционировать должным образом, но в случае возникновения внутренней неполадки (в результате которой фазовый провод может войти в контакт с корпусом), последствия могут быть фатальными. Если в вашем доме все розетки с двумя контактами, то для 3-контактных вилок необходимо использовать специальный переходник, который предусматривает правильное использование заземляющего провода, что в свою очередь обеспечивает безопасность корпуса устройства.

Меры и способы безопасности могут разрабатываться не только для конечной нагрузки. Окончательная защита от поражения электрическим током может быть предусмотрена и на стороне системы электропитания. Такую защиту называют обнаружением замыкания на землю, и работает она следующим образом:

В нормально функционирующем приборе (показанном на рисунке), сила тока через фазовый провод равна силе тока через общий провод, потому что существует только один путь для потока электронов. При отсутствии неисправностей внутри прибора, никакой связи между проводниками его схемы и человеком, прикоснувшимся к его корпусу, нет.

Если фазовый провод случайно соприкоснется с металлическим корпусом прибора, то поток электронов потечет через человека, держащегося за корпус. Наличие этого потока проявится в виде разных значений силы тока между двумя проводами в розетке:

Такое различие значений силы тока между фазовым и общим проводами будет существовать только при утечке тока через заземление, означающей неполадки в аппаратуре. Это различие можно использовать в качестве способа обнаружения неисправности. Если на стороне источника питания есть устройство измерения силы тока, то при обнаружении дисбаланса значений оно может использоваться для автоматического разъединения контактов выключателя, предотвращая таким образом поражение электрическим током:

Эти устройства называются Устройствами Защитного Отключения или УЗО для краткости. Они достаточно компактны, чтобы быть встроенными в силовую розетку. Такие розетки легко определить по наличию на них кнопок "Тест" (Test) и "Сброс" (Reset).

Краткий обзор:

• Очень часто, в целях обеспечения безопасности, одна сторона источников питания подключается к заземлению.
• В простой двухпроводной системе электропитания провод, соединенный с землей, называют общим, а другой провод - фазовым.
• Заземление в системах питания существует исключительно ради безопасности.
• Электробезопасность прибора или другой нагрузки может быть улучшена с помощью использования полярных вилок, диэлектрических корпусов и вилок с тремя контактами.
• Устройства защитного отключения работают путем обнаружения различий значений силы тока между двумя проводами. При нормальном режиме работы таких различий вообще не должно быть. Любое такое различие означает что существует утечка тока через заземление. При обнаружении разницы значений силы тока УЗО автоматически откроет выключатель, отключив тем самым источник питания.