Проблемы заземления

11.1. Проблемы заземления

Практически каждый блок питания компьютера или иного устройства имеет сетевой фильтр (рис. 11.1). Конденсаторы этого фильтра предназначены для шунтирования высокочастотных помех питающей сети на землю через провод защитного заземления и соответствующую трехполюсную вилку и розетку. «Земляной» провод полагается соединять с контуром заземления (закопанным в землю и заботливо поливаемым во время засухи), 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. Откуда оно берется — понятно из рис. 11.2: конденсаторы фильтра работают как емкостной делитель напряжения, и поскольку их емкость одинакова, 220 В сети делится пополам.

Конечно, мощность этого «источника» ограничена — ток короткого замыкания Iкз на землю составляет от единиц до десятков миллиампер, причем чем мощнее блок питания, тем обычно больше емкость конденсаторов фильтра и, следовательно, ток:

Iкз=Uпит х 2πF/С,

где Uпит=220 В, F==50 Гц - частота питающей сети, С — емкость конденсатора фильтра. При емкости конденсатора С=0,01 мкФ этот ток будет около 7 мА.

Во-первых, это напряжение (и такой ток) опасно для человека, а попасть под него «по полной программе» можно, прикоснувшись одновременно к неокрашенным металлическим частям корпуса компьютера и, например, к батарее отопления. Во-вторых, это напряжение и является одним из источников той самой разности потенциалов между устройствами, от которой страдают интерфейсные схемы.

Посмотрим, что происходит 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. 11.3), 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. 11.4). А если в эти же розетки включать и электронагревательные приборы (также лазерные принтеры или мощные копировальные аппараты), то разность потенциалов (и импульсные помехи при включении-выключении питания) будет ощутимой. 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 0м). Уравнивающий ток через общий провод интерфейса IINT можно оценить по формуле

IINT =ENUL/( RNUL + RINT);

где ENUL = INUL x RNUL; INUL =P/220, RNUL - сопротивление нулевого провода (и соединительных контактов розеток), RINT — сопротивление общего провода интерфейса, Р — мощность, потребляемая устройствами, расположенными на рис. 11.4 справа (Р=Р2+РЗ).

Поскольку обычно сопротивление интерфейсного кабеля все-таки 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 и весь ток, потребляемый устройством. Он может достигать и единиц ампер (правда, замерить его может оказаться не просто — тонкий интерфейсный провод успеет сгореть), но дальнейший ход событий может иметь достаточно ощутимые материальные последствия. Не выровненные 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 (вызванной 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 «во-первых» — безопасность человека. А 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 тяжелый случай для интерфейсных схем — соединение заземленного устройства с незаземленным (рис. 11.5), особенно когда у последнего мощный блок питания. Автору доводилось видеть системный блок компьютера, у которого после подобного подключения «в живых» остались только видеокарта, блок питания и накопители («виновник торжества» — лазерный принтер — выжил).

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 мачтой емкости (ток короткого замыкания достаточно мал).

Весьма коварны сетевые шнуры компьютеров с двухполюсной вилкой, 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. Питание от одного такого фильтра (или их цепочки, связанной трехполюсными вилками и розетками) всех устройств, соединяемых интерфейсами, решает проблему разности потенциалов. А если этот фильтр еще и включить в трехполюсную розетку с заземлением (занулением), то можно смело приглашать инспектора по ТБ, защищающего интересы (здоровье) персонала. Но не все так просто — 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 (весьма полезное дело) лучше выполнять выключателем питания фильтра или общим настенным автоматом.

Ради сохранности техники настоятельно рекомендуется отключать питание при подключении и отключении интерфейсных кабелей. Та даже небольшая разность потенциалов, которая практически исчезнет при соединении устройств общими проводами интерфейсов, может пробить входные (да и 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.