Электропитание персональных ЭВМ

Электропитание персональных ЭВМ 
Проблемы заземления компьютеров.

Практически каждый блок питания компьютера имеет фильтр. Конденсаторы этого фильтра предназначены для шунтирования высокочастотных помех питающей сети на землю через провод защитного заземления и соответствующую трех полюсную вилку и розетку. «Земляной» провод полагается соединять с контуром заземления, но допустимо его соединять и с нулем силовой (с точки зрения помехоустойчивости это худший вариант но разница практически ощущается только в особо тяжелых условиях эксплуатации. При занулении необходимо учитывать то что этот ноль не станет фазой если кто-либо перевернет вилку питания. Если же земляной провод компьютера или любое устройство трех полюсной вилки никуда не подключать, то на корпусе устройство появиться переменное напряжение порядка 110В переменного напряжения. Конденсаторный фильтр работает как емкостной делитель напряжения и по стольку их емкость и значит сопротивление одинаковы, то 220В переменного тока делиться по полам. Мощности этого источника ограниченна -ток короткого замыкания на землю составляет от единиц до десятков миллиампер.

Ik=Uпит*2Пf/c.

Во-первых, это напряжение и такой ток опасны для человека попасть под него можно прикоснувшись одновременно к неокрашенным частям корпуса компьютера и, например, батареи отопления. Во-вторых, это напряжение является одним из источников разности потенциалов между устройствами от которых страдают интерфейсные схемы. Рассмотрим случай соединения двух устройств, например, компьютера и принтера интерфейсном кабелем. Общий провод интерфейса связан со «схемной землей» и корпусом устройства. Если соединяемы устройства занулены через отдельный провод на общий контур, то проблемы разности потенциалов не возникает. Однако если в качестве заземляющего провода использовать нулевой провод питания при разводке питающей сети с трех полюсными розетками двухпроводным кабелем, то на нем будет создаваться разность потенциалов, вызванная падением напряжения от протекающего силового тока. Если в эти же розетки включать электронагревательные приборы, лазерные принтеры или мощные копировальные аппараты то разность потенциалов и импульсные помехи при включении выключении питания будут ощутимыми. При это эквивалентный источник напряжения при относительно высокой ЭДС (единицы вольт) будет иметь очень низкое выходное напряжение равное сопротивлению участка нулевого провода (доли Ом). Уравнивающий ток через общий провод интерфейса можно оценить, по сколько сопротивление интерфейсного кабеля выше чем питающего через общий провод интерфейса потечет ток существенно меньше чем силовой, но при нарушении контакта в нулевом проводе питания через интерфейсный провод может протекать и весть ток, потребляемый устройством. Он может достигать единица ампер и тонкий интерфейсные провод может сгореть.

Электропитание и заземление электрооборудования в локальных сетях.

В локальных сетях проблемы разводки электропитания и заземления стоят особенно остро поскольку в них как правило имеется большое количество устройств (компьютеров и коммуникационного оборудования, соединенных между собой интерфейсными кабелями и значительно разнесенных в пространстве.

Каждое сетевое устройство-компьютер принтер повторитель и т.д. питается от электросети и обычно имеет сетевой фильтр с конденсаторами, пропускающими ВЧ помехи на корпус обычно связаны со схемной «землей». По правилам техники безопасности корпус должен заземляться или зануляться и как было сказано выше не соблюдение этого правила приводит к появлению на корпусе устройства переменного напряжения около 110 В и разности потенциалов между корпусами различных устройств. Если два не заземленных устройства соединяются интерфейсом не обеспечивающим гальванической развязки через COMP, LPT порты.

При заземленных корпусах устройств, находящихся на значительных двух от друга 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 в ряде случае практикуется прокладка отдельного кабеля или шины для цепи заземления. Однако разводка заземления отдельным кабелем не всегда удобна и часто не эффективна с точки зрения помехозащищенности по сколько при этом могут образовываться замкнутые контуры с широким охватываемым пространством – своеобразные антенны. Следовательно, из точки зрения помехоустойчивости разводку питания к устройству целесообразно выполнять трехпроходным кабелем один из проводов которого используется для защитного заземления. Защитный провод заземляют или зануляют с гарантией того что ноль не станет фазой.

Дополнительной проблемой при разводке электропитания для компьютеров обусловлены динамической нелинейность выходной цепи без трансформаторных блоков питания. Традиционное электросети рассчитаны на относительно линейную нагрузку у которой в спектре тока основная мощность приходится на первую гармонику. В трехфазной сети с равномерно распределенной по фазам линейной нагрузкой в идеале через нейтральный провод ток практически не течет, поскольку токи от нагрузок всех 3х фаз компенсируют друг друга. Учитывая это свойство, во многих четырех проводных кабелях сечение проводника для нейтрали существенно меньше, чем сечение фазных проводников. При нелинейной симметричной нагрузке фаз при большом уровне 3-й гармоники тока (что характерно для бестрансформаторных блоков питания) взаимной компенсации токов не происходит, и действующее значение тока в нулевом проводе оказывается даже больше, чем в каждом из фазных. Таким образом, при подключении большого числа компьютеров к традиционной 4-проводной трехфазной проводке происходит перегрузка нулевого провода. Эта перегрузка приводит к следствиям разной степени тяжести - от "набегания" помехи переменного тока на нулевом проводе до перегорания нулевого провода, который никогда не защищают от перегрузки - все автоматы защиты ставятся только в фазных проводах. Во избежание перегрузки нулевого провода и в случае питания от трехфазной сети силовую разводку к розеткам от распределительного щита следует опять-таки вести трехпроводным кабелем. Перегрузки нулевого провода подводящего силового кабеля можно избежать, установив в распределительном щите развязывающий трехфазный трансформатор 380/220 В. К этому трансформатору входное напряжение подводится по схеме "треугольника", а выходные обмотки соединяют по схеме "звезда".

 

Рис. 6

            Все адаптеры локальных сетей (Ethernet, ARCNet и пр.), использующих в качестве среды передачи электрический кабель, имеют гальваническую развязку выходного разъема от схемной земли, обеспечивающую их нечувствительность к разности потенциалов между схемными землями устройств в пределах гарантированного напряжения изоляции. Для интерфейсов с внутренними трансиверами (ARCNet, Ethernet тонкий и на витой паре) типовое напряжение изоляции - 100 В, что подразумевает необходимость заземления аппаратуры. При использовании внешнего трансивера Ethernet с гарантированным напряжением изоляции 5 кВ острота проблемы снимается, хотя требования заземления остаются в силе.

 

Рис. 7

            Каждый сегмент коаксиального  кабеля локальной сети должен  заземляться в одной,  и только одной, точке. Для этого предусмотрены специальные терминаторы с заземляющим проводником (рис. 7). Типовое требование заземления одного из терминаторов не всегда разумно, поскольку изменение топологии может приводить к блужданию этого окончания сегмента, а заземление через корпус компьютера штатным коротким "хвостиком" нарушит заземление сегмента при необходимости отключения шнура питания компьютера от сети. Разумный вариант-это заземление сегмента около главного сервера или другого ответственного и неподвижного узла сети с помощью хомута, надетого на Т-коннектор. Следует помнить, что Т-коннектор, присоединенный к разъему сетевого адаптера, не должен соприкасаться с другими разъемами, в противном случае возможны помехи в сети. Проблема изоляции разъемов не возникает при использовании внешних трансиверов, подключенных через кабель-спуск. В случае необходимости связи компьютеров в тяжелых условиях питания (высоковольтная аппаратура, импульсные помехи, перепады земляного потенциала, например на электростанциях и подстанциях) идеальное решение это применение оптоволоконного кабеля.

            Неэкранированная витая пара (UTP) не предусматривает заземления  каких-либо проводов. Пластмассовые  разъемы RJ-45 обеспечивают недоступность  токоведущих частей (в отличие  от BNC-разъемов коаксиала). Современные  хабы часто выпускаются в малогабаритном пластмассовом исполнении с внешним источником питания, включаемым в обычную двухполюсную розетку. Заземление таких хабов не предусматривается, но при этом подразумевается, что все подключенные к нему узлы заземлены. При незаземленных устройствах между портами хаба может появиться напряжение порядка 100-180 В, что вполне может вывести хаб и адаптеры из строя. А если хаб интеллектуальный, то денежные потери будут ощутимыми. Более солидные ("профессиональные") хабы имеют нормальный трехполюсный разъем питания с заземляющим контактом. Такой хаб, будучи заземленным, является барьером на пути выгорания интерфейсов. Высокий потенциал на линиях одного порта скорее всего выведет из строя только этот порт, а дальше разрушение не распространится. Правила заземления в документации по импортной аппаратуре приводятся не всегда, поскольку подразумевается, что трехполюсная вилка всегда должна включаться в соответствующую розетку с заземлением, а не в двухполюсную с рассверленными отверстиями.

 

Средства улучшения качества электропитания

Электронное оборудование, питающееся от сети переменного тока, подвергается различным негативным воздействиям со стороны этой питающей сети. Стандартным требованием к питающей сети является напряжение питания 220 В с допустимыми отклонениями от –15% до +10% от номинала (187-242 В) при частоте 50±1 Гц. К основным негативным воздействующим факторам относятся следующие:

- высоковольтные импульсные перенапряжения – грозовые, длительностью от долей до десятков микросекунд, и коммутационные, длительностью до десятков и сотен миллисекунд. Грозовые перенапряжения могут достигать десятков киловольт, коммутационные – единиц киловольт;

- радиочастотные шумы от воздействия мощных радиопередающих и иных устройств и помехи от импульсных блоков питания;

- повышения напряжения выше 110% от номинала, кратковременные (на несколько периодов сети) или длительные, вызванные неполадками в сети, например, перекосом фаз;

- кратковременные провалы (в течение нескольких периодов), вызванные подключением мощной нагрузки, и длительные понижения напряжения ниже 85% от номинального значения;

- пропадание напряжения более чем на два полупериода частоты;

- отклонение частоты питающей сети от номинала 50 Гц;

- гармонические искажения питающего напряжения (отклонение формы от синусоидальной).

Степень воздействия питающей сети на аппаратуру различна – сбои (импульсные помехи и провалы питающего напряжения), самопроизвольное отключение или перезапуск устройств, выход из строя под действием импульсных или длительных перенапряжений.

Поскольку большинство блоков питания имеет импульсный преобразователь с бестрансформаторным входом, к отклонениям частоты или формы напряжения они обычно почти нечувствительны. Последствия от сбоев по питанию (не считая выхода из строя аппаратуры) могут быть весьма тяжелыми — например, потеря данных на диске мощного и ответственного сервера.

Для защиты от воздействий сетевых возмущений применяется целый комплекс мер:

- Сетевой LC-фильтр задерживает высокочастотные помехи из сети и в сеть от импульсных блоков питания. Этот фильтр входит в состав практически любого блока питания, а также в сетевые колодки питания типа «Pilot» и им подобные.

- Ограничитель перенапряжений подавляет высоковольтные выбросы как относительно длинные коммутационные (до 10 мс), возникающие при переключениях мощных цепей, так и короткие — грозовые. Энергия импульсов перенапряжений поглощается полупроводниковым варистором. При хорошем подборе параметров варистор может спасать и от длительных значительных повышений напряжения сети, например, из-за перекоса фаз. В этом случае варистор будет ограничивать напряжение, выделяя значительную мощность, что приведет к его пробою на короткое замыкание и отключению питания предохранителями токовой защиты (если они есть и рассчитаны на соответствующий ток).

Стабилизаторы напряжения.

 

От внезапного пропадания напряжения сети предохраняют источники бесперебойного питания ИБП. UPS///. В их состав обязательно входят аккумуляторные батареи, выпрямитель входного напряжения и инвертор обеспечивающий нагрузку напряжениями переменного тока.

Источники бесперебойного питания различают по классам (режимам работы). Существуют блоки off-line, line- interactive, on- line.

 

 переключатель

 

 

 

 

 

 

 

Выпрямитель обеспечивает подзарядку аккумулятора. При исчезновении сетевого напряжения включается инвертор, и нагрузка переключается на него за несколько миллисекунд. По восстановлении входного напряжения происходит обратное переключение и происходит обратное переключение, аккумулятор снова заряжается.

При длительных проседаниях входного напряжения с помощью бустера, обычно посредством пере коммутации первичных обмоток входного трансформатора.

Онлайн- UPS обладает лучшими характеристиками.

 

 

 

 

 

 

Обладает лучшими характеристиками, получает постоянное напряжение от сетевого выпрямителя или аккумулятора. Схема обеспечивает высокую стабильность выходного напряжения, при питании как от сети, так и от аккумулятора. Для данной структуры характерна гальваническая развязка входа и выхода и отсутствие переходных процессов на выходе, при переключении на резервное питание.

Для работы в условиях сильных колебаний питающего напряжения хорошую защиту обеспечивает только ИБП классов онлайн или лайн интерактив.

От класса, мощности устройства, емкости батарей определяющей время автономной работы при максимальной нагрузке, существенно зависит цена ИБП.

При пропадании сетевого напряжения, ИБП переключается на резервное питание и обычно подает звуковой сигнал. Для защиты данных компьютера, ИБП должен иметь возможность передать сигнал о грядущем отключении питания, сигнал может подаваться аппаратным прерыванием через COM порт или USB.

 

Основные параметры ИБП:

- выходная мощность. Измеряется  в вольт-амперах. Она должна быть  не меньше чем сумма мощностей, потребляемых устройствами, которые  питаются от данного ИБП. При этом следует принимать во внимание не только среднюю потребляемую мощность которая обычно указывается в паспорте или на задней стенке устройства, а также и пиковую при включении. Пиковая мощность может превышать среднюю в несколько раз особенно это характерно для лазерных принтеров (при запуске они могут потреблять пятикратную мощность) и по этой причине их не следует запитывать от ИБП.

- число фаз входного  и выходного напряжения. Источники  небольшой мощности, единицы киловольт, ампер. Более мощные источники  могут иметь трехфазный вход.