Простая стратегия безопасного подключения бестрансформаторных источников питания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2019

Ramkumar Ramaswamy

Electronic Design

Для питания малопотребляющих схем часто применяются бестрансформаторные источники. Однако использование во многих из этих схем заземления общего провода создает серьезную проблему, которой часто пренебрегают.

В очень популярном руководстве по применению [1] компании Microchip показан общий провод схемы (0 В), но ни слова не сказано о том, можно ли его подключать к земле сетевого источника питания. Аналогичным образом, в руководстве Apex Technology [2], описаны схемы, которые не могут быть безопасно и на законном основании подключены к какому-либо внешнему испытательному оборудованию.

Увидеть причины этих проблем нетрудно. В первом документе [1] общий провод схемы бестрансформаторного источника питания имеет высокие напряжения относительно нейтрали, и ее подключение к земле может привести к опасной ситуации. Поэтому подключение любого внешнего оборудования, общий провод схемы которого связан с землей, было бы очевидно опасным.

Во втором [2] земля схемы бестрансформаторного источника питания подключена к нейтрали, поэтому подключение к схеме любого внешнего оборудования (например, осциллографа для поиска неисправности) нарушит правила устройства электропроводки, установленные в большинстве стран, и, вероятнее всего, приведет к срабатыванию автомата защиты сети, если общий провод схемы внешнего оборудования заземлен.

Одним из решений может быть попытка вставить небольшой резистор между общим проводом рассматриваемой схемы и цепью заземления внешнего оборудования. Это предотвращает срабатывание автоматического выключателя и технически исключает нарушение правил электропроводки, но создает новую проблему – шум между линиями земли и нейтрали. Этот шум проникает в схему, сводя на нет смысл заземления. Как правило, в результате заземленный общий провод становится совершенно непригодным для использования.

Простой обход этой проблемы предполагает, что общий провод бестрансформаторной схемы связан с нейтралью, что является гораздо более популярной и предпочтительной стратегией для бестрансформаторных источников питания (см. Рисунок 1). В схеме нет ничего особенного. Это простой дифференциальный усилитель, однако его использование в этом контексте является инновационным. Она иллюстрирует, как сигнал от оборудования A может безопасно и надежно подаваться в оборудование B независимо от того, какое из них имеет проблемный общий провод.

Рисунок 1.	Простая схема на операционном усилителе, размещенная между бестрансформаторной схемой с общим проводом, привязанным к нейтрали, и схемой с заземленным общим проводом, устранит проблемы безопасности и шумов, связанные с такими соединениями.

Например, A может быть генератором сигналов, подаваемых в бестрансформаторную схему B. В этом случае G1 является землей, а G2 – нейтралью. Или же предположим, что B – это осциллограф, используемый для поиска неисправности в бестрансформаторной схеме A, G1 – нейтраль, а G2 – заземляющий провод. И в том, и в другом случае G1 является общим проводом схемы A, а G2 – общим проводом схемы B, а также общим проводом схемы операционного усилителя.

Коэффициенты усиления обоих входов операционного усилителя равны и противоположны, поэтому шум земля-нейтраль (который является шумом G1 относительно G2) полностью подавляется и не появляется на входе B. По сути, схема обеспечивает безопасное использование клемм нейтрали и земли за счет того, что напряжение шумов нейтраль-земля представляет собой синфазный сигнал на входе операционного усилителя. Эта простая стратегия решает две описанные выше проблемы.

В этой схеме будет работать любой устойчивый при единичном усилении операционный усилитель общего назначения с полевыми транзисторами на входах и низким напряжением смещения.