Сам себе электрик (заземляемся в собственной квартире)
Сам себе электрик (заземляемся в собственной квартире...)
Вопросы электропитания играют важную роль в устойчивости работы компьютеров, локальных сетей, периферийных устройств, соединяемых различными интерфейсами (параллельные, последовательные, USB и т.д.), а также в обеспечении их долголетия. В предыдущей статье мы с вами говорили о защите компьютерной техники от нестабильного питающего напряжения, разрядов молнии, импульсов статического электричества и т.д. Применение UPS и различных других устройств защиты эффективно только при наличии хорошего заземления. Вопрос хорошего заземления настолько важен и актуален (и с точки зрения защиты, и с точки зрения эксплуатации, и с точки зрения техники безопасности), что его никак нельзя обойти стороной. Как хорошо заземлить компьютерное оборудование — тема этой публикации.
Понимание некоторых вопросов электротехники позволит обойтись без "пиротехнических эффектов" с дымом при соединении устройств. Рассмотрим правила подключения к питающей сети с точки зрения безопасности — как человека, так и компьютера. Опять немного теории.
Практически каждый блок питания компьютера или периферийного устройства (в расчет не идут устройства, подключенные по USB-интерфейсу и получающие питание по нему же) имеет сетевой фильтр (рис.1). Конденсаторы этого фильтра предназначены для шунтирования высокочастотных помех питающей сети на землю через провод защитного заземления и соответствующую трехполюсную вилку и розетку. "Земляной" провод соединяют с контуром заземления, недопустимо соединять его 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 100 В переменного тока (рис.2): конденсаторы фильтра работают как емкостный делитель напряжения, и, поскольку их емкость одинакова, 220 В делится пополам.
Конечно, мощность этого "источника" ограничена: ток короткого замыкания Iк.з на землю составляет от единиц до десятков миллиампер, причем чем мощнее блок питания, тем больше емкость конденсаторов фильтра и, следовательно, ток.
При емкости конденсатора С = 0,01 mF этот ток будет около 0,7 mА.
Такие величины напряжения и тока 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.
Что же 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 (или занулены) через отдельный провод на общий контур (рис.3), проблемы разности потенциалов не возникает.
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 Inul (рис.4).
Если в эти же розетки включать устройства с большим энергопотреблением (лазерный принтер, например), разность потенциалов (и импульсные помехи при включении-выключении) будет ощутимой. При этом эквивалентный источник напряжения при относительно невысокой ЭДС Enui (несколько вольт) будет иметь очень низкое выходное сопротивление, равное сопротивлению участка нулевого провода. Мощность, потребляемая устройствами, расположенными на рис. 4 справа, равна:
Р = Р2 + РЗ
Поскольку обычно сопротивление интерфейсного кабеля больше, чем питающего (так как сечение проводов питающего кабеля намного больше сечения проводов кабеля интерфейсного), через общий провод интерфейса потечет ток существенно меньший, чем силовой.
Это прямое следствие закона Ома:
U=I*R => I=U/R
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 также являются 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 тоже будет 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 при включенном питании возможны неприятности: если контакты общего провода интерфейса соединяются позже (или разъединяются раньше) сигнальных, разность потенциалов между схемными землями прикладывается к сигнальным цепям, и они, как правило, выгорают. Самый тяжелый случай — соединение заземленного устройства с незаземленным (рис.5), особенно когда у последнего довольно мощный блок питания.
Для устройств, блоки питания которых имеют шнуры с двухполюсной вилкой (а такие еще встречаются), эти проблемы тоже актуальны. Такие блоки питания зачастую имеют сетевой фильтр, но с конденсаторами малой емкости (следовательно, ток короткого замыкания достаточно мал).
Весьма опасны 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. В первую очередь это касается домашних пользователей. Далеко не в каждой квартире установлены евророзетки с надежным заземлением — скорее наоборот;-).
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 (или занулением). Однако заземляющие контакты 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).
Настоятельно рекомендуется отключать питание при подключении и отключении интерфейсных кабелей. Небольшая разность потенциалов, которая практически исчезнет при соединении устройств общими проводами интерфейсов, может пробить входные (и выходные) цепи сигнальных линий, если в момент присоединения разъема контакты общего провода соединятся позже сигнальных.
К помехам, вызванным разностью потенциалов схемных земель (корпусов) устройств, наиболее чувствительны параллельные порты. У последовательных портов зона нечувствительности шире (пороги ±3 В), еще меньшую чувствительность имеют интерфейсы локальных сетей, где обычно имеется гальваническая развязка сигнальных цепей от схемной земли с допустимым напряжением изоляции порядка 100 В. Поверьте моему опыту: несколько параллельных портов приказали таким образом долго жить.
Проблема заземления устройств, сильно разнесенных территориально, обостряется. Если разводка питания и заземления выполнена двухпроводным кабелем (рис.4), разность потенциалов, обусловленная падением напряжения на заземляющих проводах, будет особенно ощутимой. В ряде случаев практикуется прокладка отдельного кабеля или шины для цепи заземления. Однако разводка заземления отдельным кабелем не всегда удобна и часто неэффективна с точки зрения защиты от помех, поскольку при этом могут образовываться замкнутые контуры с широким охватываемым пространством — своеобразные антенны. Так что разводку питания к устройствам целесообразно выполнять трехпроводным кабелем, один из проводов которого используется для защитного заземления. При этом древовидная схема заземления получается естественным образом (рис.6), защитный провод в корневой части этого дерева заземляют или зануляют.
Дополнительные проблемы при разводке электропитания для компьютеров обусловлены ярко выраженной динамической нелинейностью входной цепи бестрансформаторных блоков питания (а такие блоки питания применяются повсеместно). Хотя справедливости ради надо отметить, что в некоторых матричных принтерах Epson, например, используются обычные трансформаторные блоки питания. Традиционные электросети рассчитаны на более или менее линейную нагрузку. Все! Хватит! Sorry! В очень глубокую теорию меня занесло;-). Еще раз — Sorry! Опускаемся на грешную землю.
В современных домах с современной планировкой разводка электрического питания производится именно по схеме рис.6. Кто живет в таких квартирах — примите мои поздравления: вам несказанно повезло, и в электропитании в том числе. Как же быть остальным? Ни в коем случае не пытайтесь заземлиться на батарею отопления. Это чревато последствиями. Если имеются соответствующие знания (в области электротехники) и умения (спорный вопрос, что из них важнее: одно без другого не бывает:-)), то аккуратно проведите заземление проводом соответствующего сечения от электрического щита на лестничной площадке к себе в квартиру. Не забывайте о технике безопасности. Но лучше, чтобы ни у кого не было к вам никаких лишних вопросов, пригласите толкового электрика из ЖЭС, ЖЭК, домоуправления и т.д. Все ему объясните, расскажите, если надо — покажите данную статью. Пусть все сделает он... И все будет ОК. Как говорит известный спортивный комментатор: "Берегите себя!" Удачи.
P.S.: Вопрос к тем, кто живет в коттедже, на вилле и т.д. Расскажите, пожалуйста, а как у вас обстоят дела с заземлением:-) компьютерной техники?
Valeri N.Kravchuk
Вопросы электропитания играют важную роль в устойчивости работы компьютеров, локальных сетей, периферийных устройств, соединяемых различными интерфейсами (параллельные, последовательные, USB и т.д.), а также в обеспечении их долголетия. В предыдущей статье мы с вами говорили о защите компьютерной техники от нестабильного питающего напряжения, разрядов молнии, импульсов статического электричества и т.д. Применение UPS и различных других устройств защиты эффективно только при наличии хорошего заземления. Вопрос хорошего заземления настолько важен и актуален (и с точки зрения защиты, и с точки зрения эксплуатации, и с точки зрения техники безопасности), что его никак нельзя обойти стороной. Как хорошо заземлить компьютерное оборудование — тема этой публикации.
Понимание некоторых вопросов электротехники позволит обойтись без "пиротехнических эффектов" с дымом при соединении устройств. Рассмотрим правила подключения к питающей сети с точки зрения безопасности — как человека, так и компьютера. Опять немного теории.
Практически каждый блок питания компьютера или периферийного устройства (в расчет не идут устройства, подключенные по USB-интерфейсу и получающие питание по нему же) имеет сетевой фильтр (рис.1). Конденсаторы этого фильтра предназначены для шунтирования высокочастотных помех питающей сети на землю через провод защитного заземления и соответствующую трехполюсную вилку и розетку. "Земляной" провод соединяют с контуром заземления, недопустимо соединять его 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 100 В переменного тока (рис.2): конденсаторы фильтра работают как емкостный делитель напряжения, и, поскольку их емкость одинакова, 220 В делится пополам.
Конечно, мощность этого "источника" ограничена: ток короткого замыкания Iк.з на землю составляет от единиц до десятков миллиампер, причем чем мощнее блок питания, тем больше емкость конденсаторов фильтра и, следовательно, ток.
При емкости конденсатора С = 0,01 mF этот ток будет около 0,7 mА.
Такие величины напряжения и тока 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.
Что же 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 (или занулены) через отдельный провод на общий контур (рис.3), проблемы разности потенциалов не возникает.
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 Inul (рис.4).
Если в эти же розетки включать устройства с большим энергопотреблением (лазерный принтер, например), разность потенциалов (и импульсные помехи при включении-выключении) будет ощутимой. При этом эквивалентный источник напряжения при относительно невысокой ЭДС Enui (несколько вольт) будет иметь очень низкое выходное сопротивление, равное сопротивлению участка нулевого провода. Мощность, потребляемая устройствами, расположенными на рис. 4 справа, равна:
Р = Р2 + РЗ
Поскольку обычно сопротивление интерфейсного кабеля больше, чем питающего (так как сечение проводов питающего кабеля намного больше сечения проводов кабеля интерфейсного), через общий провод интерфейса потечет ток существенно меньший, чем силовой.
Это прямое следствие закона Ома:
U=I*R => I=U/R
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 также являются 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 тоже будет 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 при включенном питании возможны неприятности: если контакты общего провода интерфейса соединяются позже (или разъединяются раньше) сигнальных, разность потенциалов между схемными землями прикладывается к сигнальным цепям, и они, как правило, выгорают. Самый тяжелый случай — соединение заземленного устройства с незаземленным (рис.5), особенно когда у последнего довольно мощный блок питания.
Для устройств, блоки питания которых имеют шнуры с двухполюсной вилкой (а такие еще встречаются), эти проблемы тоже актуальны. Такие блоки питания зачастую имеют сетевой фильтр, но с конденсаторами малой емкости (следовательно, ток короткого замыкания достаточно мал).
Весьма опасны 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. В первую очередь это касается домашних пользователей. Далеко не в каждой квартире установлены евророзетки с надежным заземлением — скорее наоборот;-).
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 (или занулением). Однако заземляющие контакты 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).
Настоятельно рекомендуется отключать питание при подключении и отключении интерфейсных кабелей. Небольшая разность потенциалов, которая практически исчезнет при соединении устройств общими проводами интерфейсов, может пробить входные (и выходные) цепи сигнальных линий, если в момент присоединения разъема контакты общего провода соединятся позже сигнальных.
К помехам, вызванным разностью потенциалов схемных земель (корпусов) устройств, наиболее чувствительны параллельные порты. У последовательных портов зона нечувствительности шире (пороги ±3 В), еще меньшую чувствительность имеют интерфейсы локальных сетей, где обычно имеется гальваническая развязка сигнальных цепей от схемной земли с допустимым напряжением изоляции порядка 100 В. Поверьте моему опыту: несколько параллельных портов приказали таким образом долго жить.
Проблема заземления устройств, сильно разнесенных территориально, обостряется. Если разводка питания и заземления выполнена двухпроводным кабелем (рис.4), разность потенциалов, обусловленная падением напряжения на заземляющих проводах, будет особенно ощутимой. В ряде случаев практикуется прокладка отдельного кабеля или шины для цепи заземления. Однако разводка заземления отдельным кабелем не всегда удобна и часто неэффективна с точки зрения защиты от помех, поскольку при этом могут образовываться замкнутые контуры с широким охватываемым пространством — своеобразные антенны. Так что разводку питания к устройствам целесообразно выполнять трехпроводным кабелем, один из проводов которого используется для защитного заземления. При этом древовидная схема заземления получается естественным образом (рис.6), защитный провод в корневой части этого дерева заземляют или зануляют.
Дополнительные проблемы при разводке электропитания для компьютеров обусловлены ярко выраженной динамической нелинейностью входной цепи бестрансформаторных блоков питания (а такие блоки питания применяются повсеместно). Хотя справедливости ради надо отметить, что в некоторых матричных принтерах Epson, например, используются обычные трансформаторные блоки питания. Традиционные электросети рассчитаны на более или менее линейную нагрузку. Все! Хватит! Sorry! В очень глубокую теорию меня занесло;-). Еще раз — Sorry! Опускаемся на грешную землю.
В современных домах с современной планировкой разводка электрического питания производится именно по схеме рис.6. Кто живет в таких квартирах — примите мои поздравления: вам несказанно повезло, и в электропитании в том числе. Как же быть остальным? Ни в коем случае не пытайтесь заземлиться на батарею отопления. Это чревато последствиями. Если имеются соответствующие знания (в области электротехники) и умения (спорный вопрос, что из них важнее: одно без другого не бывает:-)), то аккуратно проведите заземление проводом соответствующего сечения от электрического щита на лестничной площадке к себе в квартиру. Не забывайте о технике безопасности. Но лучше, чтобы ни у кого не было к вам никаких лишних вопросов, пригласите толкового электрика из ЖЭС, ЖЭК, домоуправления и т.д. Все ему объясните, расскажите, если надо — покажите данную статью. Пусть все сделает он... И все будет ОК. Как говорит известный спортивный комментатор: "Берегите себя!" Удачи.
P.S.: Вопрос к тем, кто живет в коттедже, на вилле и т.д. Расскажите, пожалуйста, а как у вас обстоят дела с заземлением:-) компьютерной техники?
Valeri N.Kravchuk
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 31 за 2003 год в рубрике hard :: моддинг
