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.

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 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].

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка сигнальных цепей — это отсутствие связи по постоянно­му току между ними, «схемной землей» и другими питающими шинами. При нали­чии гальванической развязки потенциал сигнальных цепей относительно «схемной земли» может быть весьма значительным, но не должен превышать напряжения изоляции, допустимого для данного интерфейса. Гальваническая развязка может обеспечиваться разными способами, применимость их зависит от требований к напряжению изоляции и особенностей интерфейсных сигналов.

Оптическая развязка позволяет передавать дискретные сигналы в широком диа­пазоне частот, от постоянного тока до предела, обусловленного быстродействием приемника. Оптическая развязка может выполняться на оптронах — комбинаци­ях излучателя (светодиода) и приемника (фотодиода, фототранзистора с усили-

13.3. Интерфейсы блока питания PC __________________________________ 511

телем-формирователем) в одной микросхеме. Напряжение изоляции может до­стигать 1-1,5 кВ, максимальная частота — от десятков кГц до десятков МГц. Оп-тронная развязка применяется, например, в интерфейсах «токовая петля», MIDI. Еще лучшую развязку (по напряжению) обеспечивают интерфейсы с оптоволо­конной связью, где между излучателем и приемником располагается оптический кабель с коннекторами. Такая связь применяется в линиях Fiber Channel, опти­ческих версиях Ethernet (и других сетевых технологиях), а также цифровой аудио-технике (S/PDIF). Полоса частот может достигать единиц и десятков Гигагерц, но это требует дорогостоящих излучателей и приемников. В оптических интер­фейсах используется стеклянное и пластиковое волокно. Стеклянное волокно позволяет обеспечивать большую дальность связи, но все компоненты довольно дороги, а оконцовка волокна разъемами — довольно сложная процедура, которая может упрощаться за счет применения дорогих компонентов. Если дальность свя­зи ограничивается единицами-десятками метров, то применяют гораздо более дешевое пластиковое волокно.

Трансформаторная развязка не позволяет передавать сигналы постоянного тока, но она гораздо дешевле оптической, и достижение высоких частот здесь не имеет столь существенных проблем. Напряжение изоляции разделительных трансфор­маторов, применяемых в интерфейсных схемах, составляет 0,5-2,5 кВ. Трансфор­маторная развязка применяется в локальных сетях (все адаптеры электрических версий Ethernet имеют импульсные трансформаторы во входных и выходных це­пях), в Fibre Channel, модемах для телефонных и выделенных линий, цифровой аудиотехнике (S/PDIF).

Конденсаторная развязка — самый дешевый, но и неэффективный способ развяз­ки, практически не защищающий от помех в интерфейсах. Такая развязка может применяться в дешевых устройствах Fire Wire.

Гальваническая развязка применяется также в источниках питания, где она необ­ходима для обеспечения безопасности работы с устройствами. Гальваническая развязка между входом и выходом имеется у всех источников питания, в которых используются трансформаторы. У источников с трансформаторным входом на первичную обмотку трансформатора подается входное напряжение переменного тока (110-240 В, 50-60 Гц), а ко вторичной обмотке подключается выпрямитель (и стабилизатор напряжения, если имеется). У источников с бестрансформатор­ным входом основная часть схемы (выпрямитель, преобразователь-стабилизатор) не развязана с входом; отсутствие трансформатора позволяет им работать и от сети постоянного тока.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: