V tomto článku si povieme čo to o princípe oddeľovacieho transformátora, bezpečnosti a dúfam, že vám aspoň trocha objasním, prečo by takéto zariadenie nemalo chýbať v žiadnom hobby laboratóriu, alebo u profesionála na pracovnom stole a to nielen pre bezpečnosť vašu, ale aj pre bezpečnosť vašich drahých meracích prístrojov.

Prečo je potrebný oddeľovací transformátor?

Poďme na to od začiatku s trochou teórie, ktorá je v tomto prípade dôležitá.

Elektrický odpor ľudského tela

Ľudské telo má svoj určitý elektrický odpor, čo je priamo úmerné pretekajúcemu prúdu a napätiu.  Veľkosť tohto prúdu závisí od hodnoty rozdielu napätia a veľkosti odporu vášho tela. Ten však nie je možné presne definovať, pretože závisí od mnohých faktorov, ako napríklad:

• Obsah vlhkosti v pokožke.
• Miestna vlasatosť vašej pokožky.
• Hrúbka pokožky.
• Veľkosť oblasti kože, ktorá prichádza do styku s vodičmi.
• Vzdialenosť medzi dvoma kožnými bodmi, ktoré sú v kontakte s miestom dotyku.

V suchom stave môže kožná rezistencia človeka prekročiť 30 kΩ. Pri mokrej pokožke sa tento odpor niekedy znižuje na menej ako 500 Ω.

Elektrický prúd môže byť nebezpečný

Vaše svaly pracujú vďaka elektrickým impulzom dodávaným prostredníctvom vašej nervovej sústavy. Preto je hneď jasné, že ľudské telo je veľmi citlivé na elektrický prúd. Samozrejme tu nie je možné zaznamenávať žiadne presné údaje, pretože jedna osoba je citlivejšia na elektrický prúd ako druhá. Napriek tomu sú nižšie uvedené hodnoty  brané ako všeobecné:

• Prúdy menšie ako 0,5 mA - Väčšina ľudí je necitlivá pre takúto veľkosť prúdu.
• Prúdy od 0,5 mA do 2,0 mA - Vytvárajú stimulujúci pocit (najnižšia hodnota) až prekvapujúcu reakciu (najvyššia hodnota). Táto hodnota môže byť už nepriamo nebezpečná, pretože môže spôsobiť napríklad pád z rebríka.
• Prúdy od 2,0 mA do 10,0 mA - Táto intenzita prúdu vyvoláva značne bolestivé svalové kŕče v rukách a ramenách. Môže sa prejaviť stuhnutím svalov, ale stále ste schopní ovládať svoje svaly sami, takže stále môžete pustiť z rúk vodiče pod napätím.
• Prúdy od 10 mA do 25 mA - Úplné svalové kontrakcie, pri ktorých nemôžete ovládať svoje svaly a ste tak povediac "prilepený k drôtom". Prúd neustále prúdiaci cez vaše telo spôsobuje dýchacie ťažkosti a bezvedomie.
• Prúdy od 25 mA do 50 mA - Svalové kontrakcie sa rozšíria na vaše hrudné a srdcové svaly, čo má za následok ochrnutie dýchacích ciest a fibriláciu komôr. Vášmu mozgu rýchlo dochádza kyslík so všetkými dôsledkami, ktoré z toho vyplývajú.
• Prúdy od 50 mA do 1 000 mA - Okamžité úplné zlyhanie srdcových funkcií, ktoré má za následok smrť. Vaša pokožka začne horieť v dôsledku tepelnej energie generovanej prúdom.
• Prúdy vyššie ako 1 000 mA - Veľmi ťažké popáleniny, interne a aj na pokožke. Vaše telesné tekutiny sa začínajú vrieť. Okamžitá smrť v dôsledku mnohých faktorov, ktoré úplne narušujú vaše telesné funkcie.

Čo je to bezpečné napätie?

Aj to je ťažké presne definovať.

• prostredie bezpečné - napr. bežná miestnosť, vyučovacia trieda (suché prostredie, izolovaná podlaha, dostatočne priestorné, primeraná teplota) ~ 48 (50) V ; = 100 V
• prostredie nebezpečné - napr. kúpelňa (vlhké až mokré prostredie, neizolovaná podlaha, menej priestorné, kolísajúca teplota) ~ 24 V ; = 48 (50)V
• prostredie zvlášť nebezpečné - napr. montážna jama v garáži, vnútro kovového kotla (vlhké až mokré prostredie, vodivé okolie, stiesnený priestor, extrémne teploty) ~ 12 V ; = 24 V

Pravidlo „jedna ruka za chrbtom“

Rozhodne nie je múdre a ani bezpečné vykonávať merania alebo pracovať na živých obvodoch pod napätím. Tomu sa však niekedy nemožno vyhnúť a potom sa musíte bezpodmienečne riadiť zásadou "jedna ruka za chrbtom". Keď držíte ľavú ruku za chrbtom a pracujete iba s pravou rukou, je takmer nemožné prísť do kontaktu s dvoma živými vodičmi. V najhoršom prípade môže dôjsť ku kontaktu medzi dvoma prstami vašej pravej ruky a hoci je to značne bolestivé, nie je to však život ohrozujúce.

Zem ako skrytý elektrický vodič

V tom, čo sme si doteraz povedali, nehrá zatiaľ oddeľovací transformátor žiadnu úlohu pri zabezpečení vašej bezpečnosti. Dotykom aj jedného elektrického vodiča sa však môže dostať do vášho tela smrteľný elektrický prúd. Je to tak preto, lebo zem alebo podlaha, na ktorej stojíte, sú vo väčšine prípadov veľmi dobrým vodičom elektrického prúdu a vaše nohy sú tak neustále v kontakte s druhým elektrickým vodičom.

Toto sieťové napätie 230 V je generované v trafostanici niekde vo vašom okolí. V tomto objekte sa nachádza veľký transformátor, ktorý prevádza napätie  3 x 22 000 V siete vysokého napätia na 3 x 230 V, ktoré následne vedie prostredníctvom rozvodov - či už nadzemných, alebo podzemných do všetkých domov v tejto oblasti. V transfostanici je jeden z 230 V vodičov pripojený k zemi. Vodič, ktorý nie je spojený so zemou, sa nazýva fázový vodič a je definovaný ako "živý". Vodič, ktorý je spojený so zemou, sa nazýva neutrálny vodič.

Čo sa stane, keď sa dotknete fázového vodiča?

Z transformátora v transfostanici, cez uzemňovací vodič k vášmu domu, cez meraciu skrinku  a cez uzemnenú podlahu vášho domu späť k transformátoru v transfostanici sa potom vytvorí uzavretý obvod. Tento prúd môže ohrozovať život a zásada  "jedna ruka za chrbtom" vám neposkytuje v tomto prípade žiadnu bezpečnosť. Čiže nie - Nie je to bezpečné!

Vaša bezpečnosť

Pod pojmom bezpečnostné uzemnenie si predstavte vodič, ktorý vedie priamo k uzemňovacej elektróde umiestnenej tak hlboko v zemi, aby bola čo najbližšie zdroju podzemnej vody. K tomuto bezpečnostnému uzemneniu musíte pripojiť všetky kovové časti strojov a prístrojov vo vašej domácnosti. Toto uzemnenie sa vykonáva zeleno / žltými vodičmi a uzemnenými zásuvkami, ktoré sú všade vo vašom dome. Tento systém zabraňuje tomu, ak sa napätie fázy dostane na kovový kryt zariadenia. Skratový prúd, následne okamžite vypne stroj za pomoci ističa  v rozvodnej skrinke.

Nebezpečný nie je iba fázový vodič!

Toto sa týka takmer každého bodu v zariadení, ktoré je napájané priamo zo siete 230 V. Stačí sa pozrieť na obrázok nižšie. Je to jednoduchý obvod - "blikač" pre 230 V žiarovku. V tomto príklade je obvod napájaný sieťovým napätím 230 V takým spôsobom, že fázový vodič prechádza priamo k blikajúcej žiarovke. Prostredníctvom tohto komponentu s veľmi nízkym odporom ide fáza do diódy D4, ktorá je tiež nízkej impedancie. Odtiaľ prechádza fáza cez nízkoimpedančný odpor R1, ktorého ste sa náhodou dotkli jednou rukou - červený bod a šipka predstavujú bod dotyku. Z tohto bodu prúdi cez vaše telo pomerne veľký prúd, ktorý preteká vašou podlahou a zemou, na ktorej stojí váš dom, až po zemniaci bod v trafostanici.

Oddeľovací transformátor robí experimentovanie oveľa bezpečnejším

Teraz (konečne) prichádza na rad náš oddeľovací transformátor. Toto je špeciálny druh transformátora s dvoma vinutiami, ktoré pozostávajú z rovnakého počtu závitov, ktoré sú na jadre transformátora navzájom izolovane oddelené. Takže neexistuje žiadny priamy kontakt medzi jedným vinutím a druhým vinutím. Pretože obe vinutia majú rovnaký počet závitov, transformátor má prevodný pomer napätia 1 : 1. Ak pripojíte jedno vinutie  (primár) na sieťové napätie 230 V, na druhom vinutí (sekundár) sa rovnako objaví napätie 230 V. Ak sa teraz dotknete rezistora R1, - červený bod a šipka predstavujú bod dotyku (na obrázku nižšie), na vašej ruke budete mať napätie asi 230 V, ale cez vaše telo nemôže pretekať žiadeb nebezpečný prúd, pretože oddeľovací transformátor zaisťuje, že napätie z vašej ruky na zem zostanú oddelené. Žiaden prúd v tele znamená žiadne škodlivé následky pri dotyku so živým bodom.

Výstupná vydlica

Tá je zapojená štandarne až na jeden podstatný detail. A to, že nie je zapojený stredový PE kolík. Rovnako sa "NEUZEMŇUJE" ani PE vodič transformátora!

Priame merania na sieťových obvodoch

Ak meriate v takomto obvode bez oddeľovacieho transformátora, môžete spôsobiť vážne poškodenia meraného zariadenia, a pravdepodobne bude znamenať koniec vášho drahého meracieho zariadenia - napríklad osciloskopu. Princíp vysvetľuje nasledujúci obrázok. Tu som použil rovnaký "blikač" ako príklad. Predpokladajme, že chcete odmerať napätie na kondenzátore C1 so svojím osciloskopom. Potom pripojíte meraciu sondu vášho osciloskopu k bodu medzi kondenzátorom C1 a rezistorom R2. Ďalším krokom bude pripojnie zeme sondy k druhému pólu kondenzátora. Tento bod však smeruje priamo k jednému zo sieťových vodičov, a to kľudne môže byť aj fázový vodič. Tento potenciál je potom priamo spojený s tienením meracej sondy pomocou BNC konektora v osciloskope a tiež s jeho kovovým rámom a prípadným kovovým šasí meraného zariadenia. Osciloskop je však pripojený k elektrickej zásuvke prostredníctvom uzemnenej zástrčky, takže aj kovové šasi osciloskopu je uzemnené. Takže logický dôsledok toho celého je skrat medzi fázou a zemou vo vašej inštalácii! Výsledkom je, že cez hrot testovacej sondy a všetky kovové šasi vo vašom osciloskope pretečie veľmi vysoký prúd. V lepšom prípade sa vybaví iba istič v rozvodnej skrini, no a v najhoršom prípade bude váš osciloskop musieť spracovať taký prúdový impulz, že jeho citlivé obvody sa zaručenie zničia a osciloskop môžete zahodiť.

Meranie v zariadeniach, ktoré sú napájané priamo zo siete, môže spôsobiť skrat, alebo úplné zničenie meracieho prístroja. Môžte síce argumentovať, že dnešné moderné osciloskopy sú už celoplastové, ale to na veci nič nemení, nakoľko konštrukčné šasí a tieniace plechy sú kovové a rovnako sú vodivo spojené s kostrou /uzemnením !

Tu poskytuje riešenie oddeľovací transformátor

Po predchádzajúcom podrobnom vysvetlení bude zrejmé, bez ďalšieho vysvetľovania, že problém meraní na zariadení napájaných zo siete môžete jednoducho a elegantne vyriešiť aj  pomocou oddeľovacieho transformátora. Priame spojenie medzi sieťou a šasí vášho osciloskopu je potom oddelené a vy sa vyhnete nebezpečenstvu poškodenia či zničenia zariadenia. Vaše vybavenie sa vám za to poďakuje!

Postavte si vlastný oddeľovací transformátor!

Na jeho stavbu si môžete kúpiť buď samotný oddeľovací transformátor s potrebným výkonom a výstupným prúdom, v ľubovoľnom prevedení, alebo si môžte zakúpiť hotový - továrenský výrobok, ktorý je avšak podstatne drahším riešením. V praxi sa môžte stretnúť s takýmito transformátormi, ktoré sú v rôznom prevedení a sú určené pre rôzne výkony rádovo niekoľko desiatok  wattov, až niekoľko kilowattov. Rovnako môžu byť v jednofázovom, alebo trojfázovom prevedení.

Vhodným typom transformátora je buď klasické kovové prevedenie EI, alebo ako to bolo v mojom prípade toroidný transformátor v celo plastovom prevedení, ktorý je dokonale izolovaný. Voľba je na vás. Pamätajte, že čím vyšší výkon požadujete, tým bude väčšia jeho váha, rozmery a samozrejme aj cena. Ale vždy je to menšia položka, než kúpa hotového výrobku. A rovnako je to zanedbateľná položka v zrovnaní s cenou nového osciloskopu. Konštrukcia je jednoduchá a nie je na nej čo pokaziť a môžte sa inšpirovať aj mojim zapojením, ktoré nájdete na tomto odkaze - klikni, kde nájdete podrobnejší opis celej konštrukcie a dôležité poznámky k stavbe. Pokiaľ ste autorom nejakej podobnej konštrukcie, kontaktujte nás a radi ju uverejníme.

Schéma zapojenia oddeľovacieho transformátora.