Глава 13. И гальваническая развязка

Интерфейсы питания,

Заземление

И гальваническая развязка

По традиции «аппаратную» книгу заключает глава о «здоровом питании», очень необходимом для выживания аппаратных интерфейсов. Все внутренние устрой­ства ПК, включая и интерфейсные адаптеры, получают напряжение от блока пи­тания системного блока и связаны общей «схемной землей» — шиной GND. Часть внешних устройств получают питание от того же блока питания, пользуясь штат­ными и нештатными способами. Штатное питание выводится на интерфейсные разъемы клавиатуры и мыши PS/2 (+5 В), USB (+5 В) и Fire Wire (8-40 В). «Не­штатным» способом питание можно получить от сигнальных линий LPT-порта (менее 5 В) и СОМ-порта (двуполярное, около 12 В), но лишь с небольшим током нагрузки и некоторыми аппаратными и программными ухищрениями. Питание от сигнальных цепей интерфейса используется мышью, электронными ключа­ми защиты и иными устройствами с малым потреблением. Остальные внешние устройства питаются от собственных источников питания со своей «схемной зем­лей» и цепями заземления, и при их стыковке с системным блоком (и между собой) могут возникать проблемы заземления, о которых речь пойдет ниже. Проблемы заземления радикально решаются применением гальванической развязки сигналь­ных цепей от «схемной земли», но эту развязку имеют далеко не все интерфейсы.

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 эксплу-

Глава 13. Интерфейсы питания, заземление и гальваническая развязка

атации). 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 ПО 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 1_КЗ на землю составляет от единиц до десятков миллиампер, причем чем мощнее блок питания, тем больше емкость конденсаторов фильтра:

Здесь и_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.

13.1. Общие вопросы электропитания и заземления

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 устройстй (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).

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

Здесь E_NUL = Inul*Rnul; Inul ⁼ P/220, R_NUL — сопротивление нулевого провода и со­единительных контактов розеток, R_INT — сопротивление общего провода интер­фейса, Р — мощность, потребляемая устройствами, расположенными на рисунке справа (Р = Р2 + РЗ). 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

Глава 13. Интерфейсы питания, заземление и гальваническая развязка

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.

INUL

Рис. 13.4. Появление разности потенциалов при двухпроводном кабеле питания

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.

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.

13.1. Общие вопросы электропитания и заземления

Рис. 13.5. Подключение незаземленного устройства

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).

ВНИМАНИЕ---------------------------------------------------------------------------------

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. От такой последовательности обычные разъемы не страхуют.

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, я). 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.

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.

510_______ Глава 13. Интерфейсы питания, заземление и гальваническая развязка

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

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].