نحوه حفاظت از اسیلوسکوپ

اگر تازگی اقدام به خرید یک دستگاه اسیلوسکوپ آنالوگ، دیجیتال و یا کارت اسیلوسکوپ کرده اید و یا قصد خرید این دستگاه اندازه گیری دارید، این مقاله کمک شایانی در جلوگیری از آسیب رساندن به خود، دستگاه اسیلوسکوپ، مداری که قصد تست آن را دارید، وقت و هزینه شما می کند.
یکی از نکات مهم در هنگام کار با اسیلوسکوپ، دقت در اتصال سیم زمین یا گراند(سوسماری مشکی رنگ) پراب ها میباشد. مخصوصا در اسیلوسکوپ هایی که دو یا چند کاناله هستند. یکی از علل مهم آسیب به اسیلوسکوپ ها و یا پراب های آنها، اتصال نادرست گراندها به بخش های مختلف مدار است.
معمولا در تمامی اسیلوسکوپ ها، حلقه بیرونی کانکتورهای BNC که پراب های اندازه گیری به آن متصل می شوند به ارت (گراند برق شهر) متصل است. به عبارت دیگر بدنه فلزی بیرونی کانکتورهای BNC از طریق  مسیری با امپدانس بسیار پایین بوسیله دوشاخه دستگاه اسیلوسکوپ به ارت سیستم برق شما متصل است. شما می توانید بوسیله یک مولتی متر و از طریق بازر (تست اتصال کوتاه)، اتصال ارت و حلقه بیرونی کانکتور BNC را بررسی نمایید.
مشکل از آنجا شروع می شود که سیم مشکی رنگ روی پراب ها(با سر سوسماری) به پوسته بیرونی کانکتور BNC و در نتیجه ارت  متصل است و به دلیل امپدانس پایین، قابلیت انتقال جریان بسیار زیاد در صورتی که متصل به نقطه نادرست از مدار باشد، را دارد. حتی در برخی موارد امکان ذوب شدن و یا سوختن کامل سیم کواکسیال پراب اسکوپ وجود دارد.

مشکل بزرگ تر متصل بودن گراند تمامی کانال های اسیلوسکوپ های دو یا چند کاناله به یک دیگر است. همچنین همانگونه که ذکر شد، آنها به ارت سیستم برق نیز متصل هستند. بنابراین شما نباید زمین پراب های اسیلوسکوپ و یا همان گیره های سوسماری مشکی رنگ را بدون دقت به بخش های مختلف یک مدار متصل کنید. در صورت اتصال زمین ها به دو نقطه از مدار با پتانسیل مختلف، آن دو نقطه به هم اتصال کوتاه شده و از طریق پراب ها به هم وصل می شوند.

جهت آزمایش می توانید گراند پراب های یک اسیلوسکوپ را به یک منبع تغذیه آزمایشگاهی که ولتاژ و جریان خروجی آن محدود شده وصل کنید و مشاهده خواهید کرد که جریان از طریق گیره های سوسماری منتقل می شود. دقت کنید که جریان منبع تغذیه را در مقدار پایینی محدود کنید، بدلیل اینکه جریان بالا قابلیت خراب کردن پراب شما را دارد.

بررسی چهار رویکرد ممکن در هنگام اندازه گیری بخش های مختلف مدار بوسیله اسیلوسکوپ به قرار زیر است .

1- بررسی حفاظت اسیلوسکوپ در مداری که با باتری تغذیه میگردد:
همانگونه که در تصویر بالا مشاهده می کنید، اسیلوسکوپ  به برق شهر و ارت متصل است و همچنین پراب از طریق کانکتور BNC به آن متصل شده است. کانکتور BNC از طرفی به ارت و از طرفی دیگر به گیره سوسماری پراب اسیلوسکوپ متصل است. دستگاهی که اسیلوسکوپ قصد اندازه گیری آن را دارد دارای دو ریل مثبت و منفی (گراند) است که به منبع تغذیه خارجی که در این بخش باتری است متصل شده است. به عبارت دیگر تغذیه آن Float (شناور) بوده و mains earthed referenced نیست(در ادامه توضیح داده خواهد شد). در نتیجه دستگاه در حال اندازه گیری کاملا از برق شهر ایزوله می باشد و مشکل ایجاد حلقه زمین بوجود نمی آید. مانند تلفن های همراه ، تبلت، لپ تاپ، بیسیم و یا هر دستگاه دیگری که به برق  و آداپتور و ... متصل نیست. پس در نتیجه گیره سوسماری اسیلوسکوپ شما به هر نقطه از مدار تحت تست می تواند متصل شود. تنها مشکلی که ممکن است بوجود آید، این است که دستگاه شما یک دستگاه صوتی و یا آمپلی فایر باشد و از طریق اتصال گیره سوسماری به قسمتی از مدار آن به ارت برق شهر وصل گردد و نویز یا هارمونیک های دیگر وارد مدار شود.
همان طور که در بالا گفته شد در این بخش باید مراقب اتصال گیره مشکی رنگ پراب کانال های اسیلوسکوپ به قسمت های مختلف مدار بود، زیرا اگر آن دو نقطه اتصال کوتاه  شوند، جریان می تواند از طریق پراب انتقال پیدا کند. دانستن شماتیک مدار قبل از تست کمک شایانی در جلوگیری از بوجود آمدن این مشکل می کند.

2- بررسی حفاظت اسیلوسکوپ در مداری که  با ترانس ایزوله متصل به برق شهر است:
در بخش دوم تغذیه دستگاه یا مدار مورد نظر ما یک ترانس ایزوله می باشد که به برق شهر متصل است؛ ولی خروجی کاملا از ورودی ایزوله است. مانند اکثر ترانس های EI موجود در بازار که سیم پیچ های اولیه و ثانویه از یکدیگر مجزا هستند و بصورت مستقیم و یا از طریق یک پل دیودی به مدار  متصل می گردد. مانند مدار های تغذیه سوئیچینگ و انواع آداپتورها که ورودی از خروجی آن بصورت فیزیکی ایزوله می باشد. در اکثر این ترانس ها و آداپتورها تنها دو سیم برای اتصال به فاز و نول وجود دارد و سیمی برای اتصال به ارت وجود ندارد. در این بخش نیز مانند تغذیه با باتری پراب اسیلوسکوپ به هر نقطه از مدار می تواند متصل شود.

3- بررسی حفاظت اسیلوسکوپ در مداری که  با ترانس متصل به برق شهر است :
در بخش سوم تغذیه دستگاه یا مدار تحت تست به ترانس، آداپتور و یا منبع تغذیه ای متصل است که به اصطلاح mains earth referenced می باشد. خروجی و ورودی ترانس  ممکن است از هم ایزوله باشند ولی سیم سومی از ورودی به ارت متصل می شود که به خروجی ترانس و در نتیجه دستگاه در حال اندازه گیری وصل است. (برای مثال امپدانس یک کیلو اهمی بین گراند خروجی و سیم ارت آداپتور لپ تاپی وجود دارد که با یک مولتی متر به راحتی قابل اندازه گیری است.) بنابراین ریل منفی دستگاه در حال اندازه گیری به ارت متصل است یا امپدانس بین گراند و ارت کم است. همانگونه که گفته شد سوسماری پراب اندازه گیری شما نیز به ارت متصل است، بنابراین اگر گیره مشکی رنگ سوسماری را به ریل مثبت دستگاه در حال اندازه گیری متصل کنید، ریل مثبت و منفی دستگاه از طریق ارت اسیلوسکوپ و ارت تغذیه دستگاه به هم متصل می شود و ممکن است جریان بالا از پراب و اسیلوسکوپ و تغذیه دستگاه عبور کند. این مشکل ground loops نامیده میشود که می تواند باعث آسیب رساندن به پراب، اسیلوسکوپ، دستگاه تحت تست و تغذیه آن شده و خساراتی برای شما بوجود آورد. برای مثال ممکن است track های PCB دستگاه شما در کسری از ثانیه بسوزد و یا سیم پراب شما ذوب شود. بنابراین شما باید بسیار مراقب باشید که گیره سوسماری پراب اسیلوسکوپ را به کدام نقطه از مدار متصل می کنید.

منابع تغذیه آزمایشگاهی نیز معمولا دارای دو خروجی برای گراند خروجی می باشند که با دو رنگ متفاوت قابل تمایز است و یکی از آنها mains earth referenced می باشد. در هنگام کار با منابع تغذیه آزمایشگاهی نیز باید مراقب باشید که نغذیه شما float و یا mains earth referenced می باشد.

4- بررسی حفاظت اسیلوسکوپ هایی که به دستگاه های  USB متصل میگردند:
دستگاه های USB مانند یک برد arduino و یا یک گجت که از طریق باتری یا ترانس ایزوله تغذیه می شود ولی از طریق کابل USB به لپ تاپ یا PC شما متصل است و شما قصد اندازه گیری آن بوسیله اسیلوسکوپ را دارید. در این بخش نیز امکان بوجود آمدن حادثه وجود دارد. گراند سیم USB  معمولا به گراند دستگاه در حال اندازه گیری شما و همچنین گراند رایانه یا لپ تاپ شما متصل است و اگر تغذیه PC شما mains earth referenced باشد امکان بوجود آمدن ground loops وجود دارد. در این بخش حتی امکان آسیب رسیدن به رایانه نیز وجود دارد و در بهترین حالت ممکن کامپیوتر شما crash کرده و restart می شود و یا مدار محافظ مادربرد شما فعال شده و از آسیب جدی تر جلوگیری کند.
در اکثر کارت های اسیلوسکوپ  یا USB Oscilloscopeکه به رایانه و لپ تاپ شما متصل می شوند نیز این مشکل وجود دارد و شما قادر به اندازه گیری مدار های mains earth referenced نخواهید بود.

قطع کردن ارت دستگاه اسیلوسکوپ و یا منبع تغذیه شما نیست راه حل درستی نیست. با اینکه در کشور ما در اکثر ساختمان ها سیم کشی ارت وجود ندارد، ولی این سیستم کاربرد هایی فراتر از جلوگیری از برق گرفتگی دارد.

همانطور که قبلا گفته شد، ساده ترین و کم هزینه ترین راه حل دقت در هنگام اتصال پراب اسیلوسکوپ به قسمت های مختلف مدار است. دانستن شماتیک مدار کمک شایانی به شما خواهد کرد ولی در صورت موجود نبودن شماتیک و یا ندانستن و چند لایه بودن PCB، با یک دستگاه مولتی متر قادر به تست اتصال های مختلف آن و مطمئن شدن از محل اتصال پراب و سیم گراند مشکی رنگ خواهید بود. همچنین در اسیلوسکوپ های چند کاناله و وقتی میخواهید چند نقطه بصورت همزمان اندازه گیری کنید، در صورت مشترک بودن گراند ها برای جلوگیری از اشتباه تنها یکی از گیره های سوسماری پراب را متصل کنید.

راه حل دوم استفاده از پراب های ایزوله است که معمولا قیمت بالاتری نسبت به پراب های معمولی دارند و اکثر اسیلوسکوپ های حرفه ای نیز از این نوع پراب استفاده میشود. استفاده از پراب های High voltage isolated differential probe در مدارهایی با ولتاژ بالا و فرکانس و ریسک بالا مانند مدارات منبع تغذیه سوییچینگ پیشنهاد می شود. این پراب ها علاوه به مد اندازه گیری X10 دارای حالت X100 برای ولتاژ های بالا نیز هستند.

                                                                              
راه حل سوم استفاده از یک ترانس ایزوله یک به یک برای برق شهر است.(شکل زیر) ترانسی که هر دو ورودی و خروجی آن 110 و یا 220 ولت است و تنها مزیت آن ایزوله کردن برق شهر از منبع تغذیه و یا دستگاه در حال اندازه گیری است. یک ترانس ایزوله و یا isolation transformer علاوه بر رفع مشکل ground loop در هنگام اندازه گیری با اسیلوسکوپ، بلکه از برق گرفتگی در هنگام کار با مدار های ولتاژ بالا جلوگیری می کند. همچنین می توانید از یک واریاک نیز بعد از ترانس ایزوله استفاده کرد که مزیت ها و دلایل استفاده خاص خود را دارد.
                                                                                   
                                                 

راه حل چهارم، استفاده از هاب های ایزوله و یا دستگاه USB isolator برای گجت ها و دستگاه های USB میباشد. این دستگاه ها برق و یا همچنین دیتای سیم USB شما را از رایانه و لپ تاپتان ایزوله می کنند و علاوه بر ایجاد امنیت در هنگام کار با اسیلوسکوپ مزیت های دیگری نیز دارد. در صورت بروز هرگونه مشکل در مدارتان رایانه و یا لپ تاپ شما هیچ گونه آسیبی نمیبیند. همچنین به علت مجزا بودن تغذیه آنها می توانید جریان بیشتری برای تغذیه دستگاه خود انتقال دهید.

                                                    

البته استفاده از لپ تاپتان در حالت باتری (battery mode) راه حلی ساده تر و کم هزینه تر البته با ریسک بالاتر است. در این حالت شما لپ تاپتان را از برق شهر ایزوله می کنید.

راه حل پنجم و بهترین راه، خرید کارت های اسیلوسکوپی با شرایط USB-Isolated میباشد. در این کارت اسیلوسکوپ ها، نکته ذکر شده در راه حل چهارم، رعایت شده و نیاز به تهیه لوازم اضافی نخواهد بود؛ لذا برای جلوگیری از هرگونه خطری بهتر است زمان خرید به آپشن USB-isolated توجه کنید.