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存在共模电压时如何正确测量信号波形

来源:贝优特 日期: 2019-08-26

测量对地存在共模电压的信号波形,若测量仪器或测量方法不正确,轻则影响测量结果,重则危害生命财产安全。本文通过典型的两个实例,说明不当的测量方法对结果的影响和可能引起的安全问题,并提出正确的测量方法。 实例1 用户的产品是一个压电陶瓷及其驱动电路,图1是产品原理和测试连接图,开关管以约100kHz的频率通断,带抽头的电感实现升压功能驱动压电陶瓷片,电感与容性负载形成谐振使开关管处于软开关状态。 图1 压电陶瓷驱动器原理及测量连接 客户用ZLG示波器和单端无源探头观察负载RL两端电压波形,探头正端(尖端)和负端(地夹)分别连接电路的Vo+和Vo-,电路使用隔离的可调电源供电。发现当示波器探头连接后电路的工作电流增大了许多,客户怀疑ZLG示波器有问题。我们搭建同样的测试系统测量客户的产品,发现探头连接后可调电源显示的电流从约100mA增大到原来的6倍多。换国外某品牌示波器对比测试,发现也存在同样的问题。 究其原因,如图1所示,可调电源对保护接地线PE实际上存在电容,以下称为Ciso,而示波器探头负端是接PE的,在高频下,探头负端→PE→Ciso→GND形成一条低阻抗通路。电路的Vo+和Vo-对GND都存在100kHz的电压,无论探头负端接Vo+或Vo-,都产生额外的电流通过探头负端→PE→Ciso→GND,在电感的电阻和回路电阻上产生热量,使电源电流增大,另外并联的低阻抗通道改变了驱动器的谐振状态。所以并非是示波器的问题,而是不正确的测量方法导致。 通常人们可能对隔离电源的理解有些误区,认为是“完全隔离”的,往往只看到隔离的电阻而忽略了电抗。实际上由市电供电的隔离电源对大地存在寄生电容,来源有变压器初次级绕组间寄生电容、次级电路对机壳的空间电容,特别地有时为了满足EMC标准会在次级与PE间连接一定容量的Y电容。隔离电源所谓“隔离”是指提供安全操作所需的绝缘要求,保证在直流和工频下有足够高的隔离阻抗。但是在高频下寄生电容及刻意添加的电容容抗降低,隔离度就降低了。 以上测试所用某品牌的可调电源实测输出对PE的电容为73nF,在100kHz正弦波下隔离电源的对地阻抗约为21.8Ω。 可能会想到切断示波器供电的地线,使示波器浮地。试验结果表明电流增大的幅度降低了,但误差还是存在的。因为在示波器内,机壳与L、N线接有抑制EMI的Y电容。在外部,供电线路上有些用电器也有在L、N对PE间接Y电容,在变压器处N线接大地。所以L、N对PE的阻抗并非特别大,切断示波器供电地线后其共模电流路径为:探头负端→示波器EMC滤波器(Y电容、共模电感)→L和N线→供电线路上L、N对PE阻抗→Ciso→GND。另一方面,从安全使用设备角度讲,切断示波器的供电地线不可取,见实例2。 实例2 测量连接电网的线路,不可直接用单端无源探头和通用示波器的组合。常见例子是测量连接市电的开关电源初级相关线路的波形。 图2 开关电源整流滤波原理简图 如图2是开关电源输入端典型的整流滤波电路,在L对N为正的半周,D1和D4导通,初级地电位接近于N线对大地电压,而在L对N为负的半周,D3和D2导通,通过D2相当于将初级地连接到L线上。所以若将示波器探头地夹连接到初级地,在L对N为负的半周使L线对大地短路,电网有足够大的容量,会造成线路、设备烧毁等严重事故。为此一些人断开示波器供电地线进行测量,避免短路,但是这种方法是错误的、绝对不可取的。通用示波器是按照接地的情况设计,无地线使用连接到对大地存在较高共模电压的设备上时,示波器裸露的金属部件会带电!会危及生命财产安全,在仪器的说明书上安全相关章节也有说明。用户应当阅读仪器设备的说明书,并按正确的方法使用。
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