УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР  |  КУРСЫ  |  ЗАЯВКА НА ОБУЧЕНИЕ  |  СТАТЬИ   ГОСТИНИЦА  ДИСТАНЦИОННОЕ ОБУЧЕНИЕ  В НАЧАЛО

  

 
 

Проблемы электропитания и защитного заземления компьютерных систем

 

Вопросы электропитания подчас играют важную роль как в устойчивости работы компьютеров, их сетей и периферийных  устройств, так и в обеспечении их долголетия. Вопросы правильного подключения к питающей сети и к защитному заземлению имеют большое значение  с точки зрения безопасности человека, компьютеров, а также в обеспечении пожарной безопасности.

 

1. Проблемы заземления

            Практически каждый блок питания компьютера или иного устройства имеет сетевой фильтр (рис. 1). Конденсаторы этого фильтра предназначены для шунтирования высокочастотных помех питающей сети на землю через провод защитного заземления и  трехполюсную  вилку и  розетку. "Земляной" провод полагается соединять с контуром заземления (закопанным в землю), но допустимо его соединять и с "нулем" силовой сети. Теоретически, с точки зрения помех это хуже, но разница практически ощущается только в особо тяжелых условиях эксплуатации. При занулении необходимо быть уверенным в том, что этот "нуль" не станет фазой, если кто-либо перевернет какую-нибудь вилку питания. Если же "земляной" провод компьютера (или любого другого устройства с трехполюсной вилкой) никуда не подключать, то на корпусе устройства появится напряжение порядка 110 вольт переменного тока (см. рис. 2). Конденсаторы фильтра работают как емкостной делитель напряжения, и поскольку их емкость одинакова, 220 В сети делится пополам.

 

 

Рис.1.                                 Рис. 2

            Мощность этого "источника" ограничена. Ток короткого замыкания на землю составляет от единиц до десятков миллиампер, причем чем мощнее блок питания, тем обычно больше емкость конденсаторов фильтра и, следовательно, ток. Такие  напряжение и ток опасны для человека, а попасть под его воздействие можно, прикоснувшись одновременно к неокрашенным металлическим частям корпуса компьютера и, например, к батарее отопления. Кроме того, это напряжение является одним из источников разности потенциалов между устройствами, от которой страдают интерфейсные схемы.

            При соединении двух устройств (например, 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. 3), то проблемы разности потенциалов не возникает.

   Однако если в качестве заземляющего провода использовать нулевой провод питания при разводке питающей сети с трехполюсными розетками двухпроводным кабелем (этим часто грешат как по незнанию, так и в целях экономии), то на нем будет набегать разность потенциалов, вызванная падением напряжения от протекающего силового тока INUL (рис. 4). А если в эти же розетки включать и электронагревательные приборы, лазерные принтеры или мощные копировальные аппараты, то разность потенциалов и импульсные помехи при включении-выключении питания будут ощутимыми. При этом эквивалентный источник напряжения при относительно невысокой Э. Д. С. ENUL (единицы вольт) будет иметь очень низкое выходное сопротивление, равное сопротивлению участка нулевого провода (доли Ом). И через общий провод интерфейса будет протекать уравнивающий ток IINT.

 

Рис. 3

   

Рис. 4

Поскольку обычно сопротивление интерфейсного кабеля выше, чем питающего, через общий провод интерфейса потечет ток, существенно меньший, чем силовой. Но при нарушении контакта в нулевом проводе питания через интерфейсный провод может протекать весь ток, потребляемый устройством. Он может достигать единиц ампер, и тонкий интерфейсный провод может сгореть. Дальнейший ход событий может иметь достаточно ощутимые материальные последствия. Невыровненные потенциалы корпусов устройств являются и источником помех в интерфейсах. Если оба соединяемых устройства не заземлены, то в случае их питания от одной фазы сети разность потенциалов между ними будет относительно небольшой и вызывается только разбросом емкостей конденсаторов в разных фильтрах. Уравнивающий ток через общий провод интерфейса будет совсем малым, и, следовательно, разность потенциалов между схемными землями устройств (падение напряжения на этом проводе) будет тоже малой. Но остается проблема безопасности человека. Ведь если незаземленные устройства подключены к разным фазам, то эта разность потенциалов между их несоединенными корпусами будет порядка 190 В, при этом уравнивающий ток через интерфейс может достигать десятка миллиампер. Когда все соединения (и разъединения) выполняются при отключенном питании, для интерфейсных схем такая ситуация почти безопасна. Но при коммутациях при включенном питании возможны крупные неприятности. Если контакты общего провода интерфейса соединяются позже (или разъединяются раньше) сигнальных, то разность потенциалов между схемными землями (корпусами устройств) прикладывается к сигнальным цепям, и они, как правило, выгорают. Самый опасный случай для интерфейсных схем-это соединение заземленного устройства с незаземленным (рис. 5), особенно когда  заземленное устройство имеет мощный источник питания.

            Для устройств, блоки питания которых имеют шнуры с двухполюсной вилкой, эти проблемы тоже могут быть актуальны. Такие блоки питания зачастую тоже имеют сетевой фильтр, но, как правило, с конденсаторами малой емкости (ток короткого замыкания достаточно мал). Весьма коварны сетевые шнуры компьютеров с двухполюсными вилками, которыми подключаются блоки питания с трехполюсным разъемом. Доверчивые пользователи, смело подключающие свои ПК в бытовые розетки (без проблем с толщиной штырьков вилки), могут столкнуться со всем "букетом" проблем незаземленного компьютера, который заземлять (или хотя бы занулять) необходимо.

   Локально проблемы заземления решает применение сетевых фильтров типа "Pilot" и им подобных, включенных в трехполюсную розетку с заземлением (занулением). Питание от одного такого фильтра (или их цепочки, связанной трехполюсными вилками и розетками) всех устройств, соединяемых интерфейсами, решает проблему разности потенциалов. Но заземляющие контакты (обжимающие "усики") многих розеток могут не обеспечивать надежного контакта 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 или общим настенным автоматом. Ради сохранности техники настоятельно рекомендуется отключать питание при подключении и отключении интерфейсных кабелей. Та небольшая разность потенциалов, которая практически исчезнет при соединении устройств общими проводами интерфейсов, может пробить входные или выходные цепи сигнальных линий, если в момент присоединения разъема контакты общего провода соединятся позже сигнальных, а от такой последовательности обычные разъемы не страхуют. К помехам, вызванным разностью потенциалов схемных земель (корпусов) устройств, наиболее чувствительны параллельные порты. Последовательные порты имеют большее значение зоны нечувствительности (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.

 

2. Электропитание и защитное заземление  оборудования в локальных сетях

            В локальных сетях проблемы разводки электропитания и заземления стоят особенно остро, поскольку здесь, как правило, имеется большое количество компьютеров и коммуникационного оборудования, соединенных между собой интерфейсными кабелями и значительно разнесенных в пространстве (локальная сеть может охватывать и многоэтажное здание). Каждое сетевое устройство (компьютер, принтер, повторитель, хаб и т. д.) питается от электросети и обычно имеет сетевой фильтр с конденсаторами, пропускающими высокочастотные помехи на его корпус, связанный со схемной "землей" (см. Рис. 1). По правилам техники безопасности корпус должен заземляться или зануляться, и, как было сказано выше, несоблюдение этого правила приводит к появлению на корпусе включенного устройства переменного напряжения около 110 В и разности потенциалов между корпусами различных устройств. Если два незаземленных устройства соединяются интерфейсом, не обеспечивающим гальванической развязки (например, через СОМ- или LPT-порты), то через общий провод интерфейсного кабеля потечет уравнивающий переменный ток с высокочастотными составляющими, приводящий к помехам. В случае неконтакта в общем проводе разность потенциалов между корпусами будет приложена к сигнальным цепям интерфейса, что, как правило, приводит к выгоранию микросхем адаптеров и даже всего устройства.

Рис. 5

   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. 4). 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). С точки зрения борьбы с помехами разводку питания к устройствам целесообразно выполнять трех- проводным 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 (обязательно с гарантией того, что этот нуль не станет фазой). Все устройства, электрически соединяемые между собой, желательно питать от одной фазы сети, хотя с точки зрения энергетиков это требование часто трудно выполнимо. Дополнительные проблемы при разводке электропитания для компьютеров обусловлены ярко выраженной динамической нелинейностью входной цепи бестрансформаторных блоков питания. Традиционные электросети рассчитаны на более или менее линейную нагрузку, у которой в спектре тока основная мощность приходится на 1-ю гармонику. В трехфазной сети с равномерно распределенной по фазам линейной нагрузке в идеале через нейтральный провод ток практически не течет, поскольку токи от нагрузок всех трех фаз компенсируют друг друга. Учитывая это свойство, в большинстве четырехпроводных кабелей 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.

 

3. Средства улучшения качества электропитания

            Компьютеры, как и любое электронное оборудование, питающееся от сети переменного тока, подвергаются 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 воздействующим факторам со стороны сети питания относятся следующие:

            - высоковольтные импульсные перенапряжения (грозовые, длительностью от долей до десятков микросекунд, и коммутационные, длительностью до десятков и сотен миллисекунд, причем грозовые перенапряжения могут достигать десятков киловольт, а коммутационные - единиц киловольт);

            - 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 напряжение более, чем на два полупериода частоты;

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

            - отклонение частоты питающей сети от номинала 50 Гц (или 60 Гц);

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

            Степень воздействия питающей сети на аппаратуру различна. Эти факторы могут приводить к сбоям (импульсные помехи и провалы питающего напряжения), самопроизвольному отключению или перезапуску устройств и даже выходу их 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 питание, 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). На рис. 8 приведена схема фильтра, комбинированная с ограничителем перенапряжений.

Рис. 8

            Одного варистора для полной защиты от перенапряжений недостаточно. Для приведенного однофазного фильтра не помешает еще пара варисторов (один между "нулем" и "землей", второй между фазой и "землей").

   Стабилизатор напряжения стабилизирует выходное напряжение при плавных изменениях входного. Современные варианты таких стабилизаторов, разработанны специально для питания компьютеров. Электронные устройства на активных компонентах не получили широкого распространения из-за приближения их цен к ценам на UPS.

    От внезапного пропадания напряжения сети предохраняют источники бесперебойного питания - ИБП (UPS - Uninterruptible Power System). В их состав обязательно входят аккумуляторные батареи, выпрямитель входного напряжения и инвертор, обеспечивающий нагрузку напряжением переменного тока.

   Источники бесперебойного питания различают по классам (режимам работы). Существуют блоки OFF-LINE (STAND-BY), LINE-INTERACTIVE и ON-LINE.

     В OFF-LINE UPS (рис. 9) нагрузка в норме, получает питание от сети, выпрямитель обеспечивает подзарядку аккумулятора. При пропадании входного напряжения включается инвертор и нагрузка переключается на него за несколько миллисекунд. По восстановлении входного напряжения происходит обратное переключение, аккумулятор снова подзаряжается. К этому классу относятся, например, Back UPS фирмы АРС.

            UPS LINE-INTERACTIVE работает аналогично OFF-LINE, но имеет дополнительную возможность ступенчатой стабилизации при длительных проседаниях входного напряжения с помощью бустера (обычно посредством перекоммутации первичных обмоток входного трансформатора). К этому классу относятся Smart и Matrix UPS фирмы АРС.

Рис. 9

            ON-LINE UPS (рис. 10) обладают наилучшими характеристиками, в них нагрузка получает питание всегда от инвертора. Инвертор получает просто явное напряжение от сетевого выпрямителя или аккумулятора, схема обеспечивает высокую стабильность выходного напряжения при питании как от сети, так и от аккумулятора. Для данной структуры естественна гальваническая развязка входа и выхода и отсутствие переходных процессов на выходе при переключении на резервное питание. К этому классу относятся UPS серии Prestige фирмы EXIDE.

Рис .10

               Для работы в условиях сильных колебаний питающего напряжения хорошую защиту обеспечат только UPS классов ON-LINE или LINE-INTERACTIVE.    От класса, мощности устройства и емкости батарей, определяющей время автономной работы при максимальной нагрузке, существенно зависит цена UPS.    При пропадании сетевого напряжения UPS переключается на резервное питание и обычно подает звуковой сигнал. Для защиты данных компьютера UPS должен иметь возможность передать сигнал о грядущем отключении питания. Сигнал может подаваться аппаратным прерыванием через специальную плату сопряжения с PC или разъем PS/2 Mouse (как варианты у Smart UPS), через СОМ-порт или встроенный в UPS адаптер ЛВС. Два последних варианта более универсальны и обеспечивают двунаправленный обмен развернутой управляющей и диагностической информацией. При восстановлении питания происходит обратное переключение, и батареи подзаряжаются. Если питание не восстановилось за время работы батарей, UPS отключается, а его повторное включение после подачи напряжения может быть ручным или автоматическим. Аккумуляторные батареи требуют периодической тренировки - циклов заряда и разряда. Если UPS питает устройство от сети, напряжение в которой никогда не пропадает, это может привести к потере работоспособности батарей.

            Наиболее совершенные модели имеют встроенные средства автоматического запуска тестовых и профилактических процедур, при которых нагрузка на некоторое время переключается на питание от батарей. Некоторые UPS выполняют эту процедуру по команде от модуля программной поддержки, исполняемого на защищаемом компьютере. В этом случае UPS должен соединяться с компьютером специальным интерфейсным кабелем. Современные модели UPS имеют в своем составе микроконтроллер, который в совокупности со специализированным ПО серверов и станций, поставляемым для конкретных моделей, может предоставлять широкий спектр услуг в зависимости от интерфейса связи UPS с системой:

            1.) Телеметрия. Информация о состоянии питающей сети, батареи и других узлов, температуре внутри UPS, величине нагрузки и т. д. передается в систему сбора, обработки и отображения информации. Система может прогнозировать время работы от батарей и соответственно корректировать задержку закрытия сервера.

            2.) Телеуправление.Двунаправленный интерфейс с UPS обеспечивает подачу управляющих команд - отключение, запуск диагностических тестов и т. д.

            3.) Планирование включения и выключения. Администратор может задать график работы сервера, указывая время включения и отключения питания на каждый день недели.  При наступлении времени отключения программа посылает предупреждение всем клиентам, через некоторое время инициирует закрытие сервера и программирует UPS на отключение питания через определенный интервал времени и повторное включение в заданное время. После отключения по команде UPS переходит в режим ожидания и своим внутренним таймером отсчитывает время до включения. В заданное время UPS включает питание нагрузки, сервер автоматически загружается, и следующее запланированное отключение произойдет по инициативе программы, работающей на сервере.

Рис. 11

   Возможности взаимодействия по сети оператора с UPS определяются его ПО. Популярный PowerChute для Smart UPS фирмы АРС, Onli-Net Basic для UPS фирмы EXIDE обеспечивают вышеперечисленные функции для различных ОС, они вполне удовлетворительны для систем с одним UPS. В системах с более сложным питанием желательно использовать сетевые варианты ПО, обеспечивающие централизованное управление сетями UPS. Для UPS фирмы EXIDE - это OnliNet Network, OnliNet NVX и др. Диалог UPS с программным модулем возможен, естественно, только при связи компьютера и UPS двунаправленным интерфейсом. Наиболее распространенный вариант связи - через СОМ-порт. Многие модели UPS имеют разъем DB9, который обычно и используется интерфейсом RS-232. Однако зачастую назначение его контактов сильно отличается от стандартного. На рис. 11 приведены схемы кабелей подключения UPS Fiskars и Smart UPS фирмы АРС к СОМ-порту. Некоторую специфику защиты от пропадания питания имеет коммуникационное оборудование. Для обеспечения бесперебойности работы сети все коммуникационные устройства, естественно, должны иметь бесперебойное питание. Для таких элементов сети, как хабы, концентраторы, маршрутизаторы и т. д., обычно невозможно запустить программную поддержку конкретного  UPS. В этом случае питающий их UPS должен обеспечить резервное питание на время до аварийного закрытия сервера, для того чтобы можно было успеть корректно завершить работу приложений. Весьма полезным свойством внутреннего ПО UPS (или специального адаптера, подключающего один или несколько UPS с интерфейсом RS-232 к среде передачи локальной сети) является поддержка протокола SNMP.  Это обеспечивает централизованное управление UPS, питающих коммуникационное оборудование.

 
 
 

Copyright © 2000-2016гг.   Учебный Центр "Алгоритм"  тел./факс: (8412) 52-23-62, 52-23-47, 21-84-24  E-mail: nto@bk.ru

 

Вверх