全波整流波形観測時の失敗談（２）～漏電事故？

今回は、全波整流回路にAC100Vを入力し、その出力波形をオシロスコープで観測しようとして漏電事故を起こした失敗談です。

全波整流波形の振り返り

最初に、前回の「全波整流波形観測時の失敗談（１）～二つの全波整流波形」に書いた内容を、ざっとふり返ります。

下は「全波整流回路」です。

4つの矢印は「ダイオードブリッジ」で、回路図左下の「② AC100V入力（N）」基準時の入力波形「① AC100V入力（L）」は、下記になります。

同じ「② AC100V入力（N）」基準時の「ダイオードブリッジ」出力波形は下記で、これが一つ目の全波整流波形です。

波形の基準を「④ 全波整流（－）」に変更すると、「③ 全波整流（＋）」出力波形は下記になります。

これが二つ目の全波整流波形です。

「抵抗：R」に、平滑用「コンデンサー：C」を並列接続した回路図は下記です。

「コンデンサー：C」を取り付けると、「③ 全波整流（＋）」の波形は、下の「⑤ 平滑（＋）」になります。（波形の基準は「⑥ 平滑（ー）」）

「⑤ 平滑（＋）」の波形を簡単に説明すると、上昇時は「ダイオードブリッジ」を通して「コンデンサー：C」に大きな電流が流れるので、電圧が急峻に上昇しますが、下降時は「抵抗：R」と「コンデンサー：C」の時定数「τ=RC」で低下していきます。

この下降の様子は、下の式で表せます。

$$v(t) = 140 e^{-\frac{t}{RC}}$$

「\(t=0\)秒」のときの「\(v(t)\) 」は「\(140V\) 」で、「\(t\)」が大きくなると「\(v(t)\)」は「\(0V\)」に近づいていきます。

この式に関する記事も、いつか書こうと思っています。

漏電事故の発生

さて、ここからが今回の本題です。

「⑥ 平滑（ー）」を基準にして、「⑤ 平滑（＋）」の波形をオシロスコープで観測するため、下の図の位置に「プローブのGND」を接続しました。

この「プローブのGND」を、「⑥ 平滑（ー）」に接続した瞬間に事件が起こりました。

接続した瞬間に、上の図の赤い矢印のルートで、左端のAC100V出力の両端がショートに近い状態になりました。

幸か不幸か、赤い矢印のルート内に壊れやすい部品が入っていて、それがヒューズの働きをしてくれましたが、その部品が壊れるまでの間に漏電が発生したはずです。

漏電の説明のため、「一級建築士試験対策室_電気設備_電気配線」というwebページに描かれていた下の画像を貼り付けます。

この図の右下に、二つのコンセントが描かれています。

左のコンセントに全波整流回路を含む製品が接続され、右のコンセントにオシロスコープが接続されていたとします。

オシロスコープ本体のフレームは、緑色で描かれた「E：Earth（アース）」に接続されているので、もしオシロスコープの内部で高電圧の配線が本体に触れても、オシロスコープ本体は高電圧にならず、使用者の安全が確保されます。

ただ、「プローブのGND」はオシロスコープ本体につながっているので、「E：Earth（アース）」を経由して「② AC100V入力（N）」につながることになり、そのため下の波形の「② AC100V入力（N）」と「④ 全波整流（ー）」がつながったことになります。

緑色で描かれている「E：Earth（アース）」には、通常は電流が流れませんが、今回のような接続を行うと電流が流れて漏電事故になります。

ちなみに「プローブのGND」を、「② AC100V入力（N）」に接続しても漏電が発生します。

理由は、上の「一級建築士試験対策室_電気設備_電気配線」の図で、「柱上変圧器」～「白（N）」の間には電流が流れるので、「緑（G）（E）」との間に電位差が生じるためです。

この失敗情報は職場で共有しましたが、一年後くらいに他の人も同様の接続をしたようで、気がつくと「プローブのGND」の配線の被覆が縮れていました。

その人に聞いてみたら、やはり「プローブのGND」を製品に接続したそうです。

配線の被覆が縮れたということは、その配線に大きな電流が流れて瞬間的に高温になったのだと思います。

以前、ビルの管理部門の方が、漏電のログが残っていたと調査に来られたことがあったのですが、このときの漏電が原因だったのかもしれません。

このことがあって以来、AC100Vにつながっている回路の波形を観測するときは、「プローブのGND」はどこにも接続せず、2本のプローブの「波形測定部」だけを使って波形を観測しています。

一般的なオシロスコープには、例えばch1の波形からch2の波形を引き算した波形を表示する機能があるので、基準にしたい部分にch2、波形を観測したい部分にch1の「波形測定部」を接続すると波形が観測できます。

少しノイズが入りますが、フィルター機能などを使えば、それなりの波形が観測できます。

電源の入力部にしっかりとしたトランスがあって、直流的に分離されていれば良いのですが、最近の家電では少数派と思います。

シミュレーション波形との比較

ここからは余談です。

この記事で使った波形は、別のwebページからコピーさせていただいたもの以外は、Excelで計算してグラフ化した波形ですが、間違っていないかを確認するため、「回路シミュレーターの使い方〔１〕」などに書いた「LTspice」でシミュレーションして求めた波形と比較しました。

まず、「② AC100V入力（N）」を基準にしたときの、「③ 全波整流（＋）」と「④ 全波整流（ー）」の波形です。

左がExcelで作った波形で、右がシミュレーション波形です。

シミュレーション波形の下の図は、シミュレーションに使用した回路図です。

左右の波形を比較すると、同じ波形になっていることが分かります。

次に、「④ 全波整流（－）」基準時の「③ 全波整流（＋）」波形です。

右のシミュレーション波形には「④ 全波整流（ー）」を描いていませんが、「③ 全波整流（＋）」の波形が左右で一致しています。

次に、「⑥ 平滑（－）」基準時の「⑤ 平滑（＋）」波形です。

ここでも、右のシミュレーション波形に「③ 全波整流（＋）」などは描いていませんが、「⑤ 平滑（＋）」の波形が左右で一致しています。

最後は、「② AC100V入力（N）」基準時の「⑤ 平滑（＋）」と「⑥ 平滑（ー）」の波形です。

この波形は、今回の記事で初めて貼り付けましたが、左右で異なる波形に見えます。

ただ、左右の波形で一致している点が、二つあると思います。

一つ目は、「⑤ 平滑（＋）」と「⑥ 平滑（ー）」の差電圧です。

「⑤ 平滑（＋）」から「⑥ 平滑（ー）」を引いた波形は、一つ上に貼り付けた「⑤ 平滑（＋）」の波形なので、左右で一致していることが分かります。

もう一つは、「ダイオードブリッジ」のダイオードの何れかがONしている瞬間の波形です。

その瞬間を、図に表したのが下記になります。

3つの波形を縦に並べましたが、半透明のグレー部分は、「ダイオードブリッジ」が全てOFFしているタイミングで、そのすき間のタイミングでは、ダイオードの何れかがONしています。

そのONしているすき間をよく見ると、一番上のExcelの波形と、真ん中のシミュレーション波形の「平滑（＋）」と「平滑（－）」の波形は一致しています。

ONしているタイミングで、「ダイオードブリッジ」を通して「コンデンサー：C」に電流が流れ込むので、その時に一番下の波形の「平滑（＋）」の電圧が上昇しています。

「ダイオードブリッジ」がOFFしているときは、「コンデンサー：C」両端の電位差は特定できますが、電位は「ダイオードブリッジ」がOFF状態のどの電位かは特定できません。

実測した波形が、上のシミュレーション波形に近いか、自分がExcelで描いた波形に近いかも分かりませんが、少なくとも「ダイオードブリッジ」がONした瞬間は上のすき間の波形になります。

上に書いた内容には、ちょっと分かりづらい点もあると思いますが、波形を見るときには、どこを基準にした波形かを意識するのは大切なことだと思います。

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