Книга: Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия

13.1. Общие вопросы электропитания и заземления

13.1. Общие вопросы электропитания и заземления

Рассмотрим правила подключения к питающей сети с точки зрения безопасности как человека, так и компьютера.

Практически каждый блок питания компьютера или периферийного устройства имеет сетевой фильтр (рис. 13.1). Конденсаторы этого фильтра предназначены для шунтирования высокочастотных помех питающей сети на землю через провод защитного заземления и соответствующие трехполюсные вилку и розетку. «Земляной» провод соединяют с контуром заземления, но допустимо его соединять и с «нулем» силовой сети (разница ощущается только в особо тяжелых условиях эксплуатации). При занулении необходимо быть уверенным в том, что «нуль» не станет фазой, если кто-нибудь вдруг перевернет вилку питания. Если же «земляной» провод устройства никуда не подключать, на корпусе устройства появится напряжение порядка 110 В переменного тока (рис. 13.2): конденсаторы фильтра работают как емкостной делителе напряжения, и поскольку их емкость одинакова, 220 В делится пополам.

Рис. 13.1. Входные цепи блока питания

Рис. 13.2. Образование потенциала на корпусе компьютера

Конечно, мощность этого «источника» ограничена — ток короткого замыкания I_КЗ на землю составляет от единиц до десятков миллиампер, причем чем мощнее блок питания, тем больше емкость конденсаторов фильтра:

I_КЗ = U_Пит?2?FC

Здесь U_Пит=220 В, F=50 Гц — частота питающей сети, С — емкость конденсатора фильтра. При емкости конденсатора С=0,01 мкФ этот ток будет около 0,7 мА. Заметим, что здесь мы учитываем лишь частоту питающей сети. Для высокочастотных (импульсных) помех, приходящих как по сети, так и от входного преобразователя блока питания, те же конденсаторы представляют собой гораздо меньшее сопротивление, и ток короткого замыкания может возрастать во много раз.

Такие напряжение и ток опасны для человека. Попасть под напряжение можно, прикоснувшись одновременно к неокрашенным металлическим частям корпуса компьютера и, например, к батарее отопления. Это напряжение является одним из источников разности потенциалов между устройствами, от которой страдают интерфейсные схемы.

Посмотрим, что происходит при соединении двух устройств (компьютера и принтера) интерфейсным кабелем. Общий провод интерфейсов последовательных и параллельных портов связан со «схемной землей» и корпусом устройства. Если соединяемые устройства надежно заземлены (занулены) через отдельный провод на общий контур (рис. 13.3), проблемы разности потенциалов не возникает.

Рис. 13.3. Правильное подключение ПУ

Если же в качестве заземляющего провода использовать нулевой провод питания при разводке питающей сети с трехполюсными розетками двухпроводным кабелем, на нем будет набегать разность потенциалов, вызванная падением напряжения от протекающего силового тока I_NUL (рис. 13.4). Если в эти же розетки включать устройства с большим энергопотреблением, разность потенциалов (и импульсные помехи при включении-выключении) будет ощутимой. При этом эквивалентный источник напряжения при относительно невысокой э.д.с. E_NUL (несколько вольт) будет иметь очень низкое выходное сопротивление, равное сопротивлению участка нулевого провода (доли ом).

Рис. 13.4. Появление разности потенциалов при двухпроводном кабеле питания

Уравнивающий ток через общий провод интерфейса I_INT можно оценить по следующей формуле:

I_INT = E_NUL/(R_NUL+R_INT)

Здесь E_NUL = I_NUL?R_NUL; I_NUL = P/220, R_NUL — сопротивление нулевого провода и соединительных контактов розеток, R_INT — сопротивление общего провода интерфейса, P — мощность, потребляемая устройствами, расположенными на рисунке справа (P = P2 + P3). Поскольку обычно сопротивление интерфейсного кабеля больше питающего, через общий провод интерфейса потечет ток, существенно меньший, чем силовой. Но при нарушении контакта в нулевом проводе питания через интерфейсный провод может протекать и весь ток, потребляемый устройством. Он может достигать нескольких ампер, что повлечет выход устройств из строя. Невыровненные потенциалы корпусов устройств являются также источником помех в интерфейсах.

Если оба соединяемых устройства не заземлены, в случае их питания от одной фазы сети разность потенциалов между ними будет небольшой (вызванной разбросом емкостей конденсаторов в разных фильтрах). Уравнивающий ток через общий провод интерфейса будет мал, и разность потенциалов между схемными землями устройств будет тоже мала. Но не следует забывать о безопасности человека. Если незаземленные устройства подключены к разным фазам, разность потенциалов между их несоединенными корпусами будет порядка 190 В, при этом уравнивающий ток через интерфейс может достигать десятка миллиампер. Когда все соединения/разъединения выполняются при отключенном питании, для интерфейсных схем такая ситуация почти безопасна. Но при коммутациях в условиях включенного питания возможны неприятности: если контакты общего провода интерфейса соединяются позже (разъединяются раньше) сигнальных, разность потенциалов между схемными землями прикладывается к сигнальным цепям и они выгорают. Самый тяжелый случай — соединение заземленного устройства с незаземленным (рис. 13.5), особенно когда у последнего мощный блок питания.

Рис. 13.5. Подключение незаземленного устройства

Для устройств, блоки питания которых имеют шнуры с двухполюсной вилкой, эти проблемы тоже актуальны. Такие блоки питания зачастую имеют сетевой фильтр, но с конденсаторами малой емкости (ток короткого замыкания достаточно мал).

Весьма коварны сетевые шнуры компьютеров с двухполюсной вилкой, которыми подключаются блоки питания с трехполюсным разъемом. Пользователи, подключающие свои компьютеры в бытовые розетки, могут столкнуться с проблемами из-за отсутствия заземления.

Локально проблемы заземления решает применение сетевых фильтров типа «Pilot» и им подобных. Питание от одного фильтра всех устройств, соединяемых интерфейсами, решает проблему разности потенциалов. Еще лучше, когда этот фильтр включен в трехполюсную розетку с заземлением (занулением). Однако заземляющие контакты (обжимающие «усики») многих розеток могут иметь плохой контакт вследствие своей слабой упругости или заусениц в пластмассовом кожухе. Кроме того, эти контакты не любят частого вынимания и вставки вилок, так что обесточивание оборудования по окончании работы лучше выполнять выключателем питания фильтра (предварительно выключив устройства).

Правила заземления в документации по импортной аппаратуре приводятся не всегда, поскольку подразумевается, что трехполюсная вилка всегда должна включаться в соответствующую (трехполюсную) розетку с заземлением, а не в двухполюсную с рассверленными отверстиями. В нашей стране распространены так называемые трехполюсные евророзетки (рис. 13.6, а). Заземление выполняется с помощью контактов-усиков, центральный заземляющий штырь используется нечасто. На рисунке показано правильное положение контактов нуля, фазы и заземления на розетке. При подключении к нему стандартного шнура питания на гнезде, обращенном к блоку питания, раскладка цепей будет соответствовать рис. 13.6, б.

Рис. 13.6. Положение «нуля», «фазы» и «земли»: а — на питающей розетке, б — на выходном гнезде шнура питания

К помехам, вызванным разностью потенциалов схемных земель (корпусов) устройств, наиболее чувствительны параллельные порты. У последовательных портов зона нечувствительности шире (пороги ±3 В). К этим помехам практически нечувствительны интерфейсы с гальванической развязкой сигнальных цепей от схемной земли.

Проблемы разводки электропитания и заземления стоят особенно остро в локальных сетях, поскольку здесь, как правило, имеется большое количество устройств (компьютеров и коммуникационного оборудования), соединенных между собой интерфейсными кабелями и значительно разнесенных в пространстве (локальная сеть может охватывать и многоэтажное здание). При заземленных корпусах устройств, сильно разнесенных территориально, между их корпусами будет разность потенциалов, обусловленная падением напряжения на заземляющих проводах. Эта разность будет особенно ощутимой, если разводка питания и заземления выполнена двухпроводным кабелем (см. рис. 13.4). В сетях на коаксиальном кабеле приходится обеспечивать надежное заземление кабельного сегмента (причем только в одной точке!); нарушение правил заземления коаксиала и соединяемых компьютеров может приводить к сбоям и выгоранию сетевых адаптеров. Коаксиальный кабель и разъемы не должны иметь контактов с металлическими частями корпусов аппаратуры. В сетях на неэкранированной витой паре (UTP) требуется лишь правильно (с заземлением) запитать все компьютеры и коммуникационное оборудование. Использование экранированной витой пары (STP) вносит дополнительные проблемы с соединением и заземлением экранов. Подробнее о решении проблем питания и заземления в сетях см. в [3].

Оглавление книги