Ultimate Studio Home Theatre

Total Professional Concept

 

Электропитание аппаратуры (доп. статья)

В этой дополнительной статье мне хочется охватить тему электропитания максимально подробно во всех её аспектах, но я не собираюсь расписывать особо мелкие и вполне понятные вещи вроде того, что нельзя скручивать медный провод с алюминиевым и т.п. Изначально её написание вообще не планировалось, так как она не является профильной для данного ресурса, хотя и написана всё же в его рамках. В своё время я интенсивно интересовался этими вопросами и, сам того не замечая, собрал довольно много интересной и актуальной информации по проблемам электропитания, способам борьбы с ними, сетевым фильтрам, стабилизаторам, изготовлению заземления, его размещению и т.п. В нашей стране вокруг таких устройств, как сетевой фильтр и заземление, крутится просто толща нелепых мифов, которые рождает жутчайшая техническая безграмотность людей, тем не менее, не выходящая за границы школьного курса физики. По этой причине изложение материала будет опять же максимально простым и одновременно сочетать в себе теорию и практические рекомендации.

Сетевые фильтры

Окунуться в схемотехнические глубины такого обыденного устройства, как сетевой фильтр, меня заставил еще задолго до создания этого ресурса известный энергокризис в Москве. Раньше к сетевым фильтрам я относился достаточно равнодушно и представлял их себе как удлинители, которые могут решить почти все проблемы с электропитанием. В моём доме произошёл скачёк напряжения, точнее его плавное повышение. Его величину мне тогда замерить было нечем, но по белому свету ламп было ясно, что оно очень высокое. Ну и чего, казалось бы, беспокоиться? У меня же есть прибор, который должен защитить мою технику! Но, вдруг, что-то взорвалось в телевизоре, и отключился защитный автомат в электрощитке! Потом выяснилось, что это сгорел специальный защитный элемент, тем не менее, спасший телевизор. И заметьте, что взорвался в телевизоре (защищаемом оборудовании), а не в фильтре!!! Как же так получилось, что фильтр ничего не защитил, а само оборудование сделало это за него гораздо лучше? А зачем же он тогда нужен и что он делает? И тут-то я начал читать различные справочники, бороздить просторы интернета в поисках теории и лучших конструкций фильтров, вплоть до уже готовых промышленных образцов. Но все они были почти как две капли воды похожи друг на друга и представляли собой однозвенную конструкцию с варистором.

Принцип защиты от скачков напряжения

В сети электропитания нормальным напряжением считается 220 вольт +- 10%. Допустимые колебания по ГОСТ-у будут от 198 до 242 В. Но это действующее значение напряжения, которое для простоты расчетов приравнивается к аналогичному воздействию постоянного тока. А максимальный или минимальный допустимый размах синусоиды будет от 280, до 341В постоянного напряжения. Эти цифры получаются при умножении действующего значения напряжения на корень из числа два. От понижения напряжения ни один фильтр защитить не может, т.к. это задача уже другого устройства, где есть вольтодобавочные трансформаторы: ИБП и стабилизаторы. А вот от повышенного - должен обязательно! Это основная задача любого фильтра, с которой справляются, к сожалению, только единичные модели. Для защиты от повышенного напряжения в основном используются полупроводниковые элементы, основанные на принципе работы диода - варисторы. Но кроме варисторов есть ещё два устройства, которые, наряду с ними, применяются для более полной и качественной защиты от перенапряжений: газовые разрядники и защитные (TVS) диоды. Различаются они как временем срабатывания, так и максимально допустимым током стабилизации. Принцип же действия у них всех одинаков: если напряжение в сети превышает некоторое пороговое значение (обычно 250 В), то через защитный элемент протекает ток, который вызывает падение напряжения до допустимого уровня. Но это теоретически. На практике возможны три ситуации:

1) Превышение порогового значения напряжения значительно: через элемент протекает большой ток, который вызывает срабатывание защитного автомата в электрощитке. Этим и обеспечивается защита от высокого напряжения. Отключение нагрузки происходит защитным автоматом. Ситуация аналогична короткому замыканию.

2) Превышение порогового значения напряжения незначительно или значительно в течение малых промежутком времени (не более десятых долей секунд) при токе, протекающем через защитный элемент, меньшем, чем допустимый ток защитного автомата: происходит фильтрация высоковольтных всплесков напряжения. Отключения нагрузки не происходит.

3) Превышение порогового значения напряжения незначительное или значительное в течение больших промежутков времени при токе, протекающем через защитный элемент меньшем, чем допустимый ток автомата: обеспечивается фильтрация высоковольтных всплесков и повышенного напряжения в течение нескольких секунд. Далее защитный элемент перегревается, что приводит к свариванию его полупроводниковых структур и возникновению короткого замыкания. Нагрузка отключается защитным автоматом. Защитный элемент требует замены.

Различные перенапряжения в сети возникают в следующих ситуациях:

1) Просто постоянно повышенное напряжение. Повышенным оно приходит еще с подстанции - это проблемы энергетической компании и повод для судебного иска с вашей стороны. Так же повышение напряжения возможно ночью, когда большая часть потребителей отключена.

2) Грозовые разряды и молнии. Они несут в себе токи порядка 200 кА. При ударе молнии в атмосфере создаётся канал ионизированного воздуха, по которому происходит разряд. Являются мощным источником электромагнитного излучения. Длительность импульса может достигать 1-500 мкс, а напряжение – 100 кВ.

3) Переходные процессы, возникающие при переключении различных приборов и нагрузок: сварочные аппараты, нагревательные приборы, холодильники и любая другая электроника, вплоть до лампочек накаливания. Они встречаются намного чаще, чем разряды молний. Например, в обычной сети электропитания переменного тока при переключении силовых приборов или короткого замыкания возникает очень быстрое изменение тока со временем нарастания фронта импульса менее единиц микросекунд. В системах с реактивной нагрузкой это вызывает переходные процессы, ведущие к возникновению перенапряжения в виде высокочастотных колебаний или высоковольтных пиков напряжения.

Комплексная защита от ударов молний, перенапряжений и переходных процессов

Принципы работы защитных элементов

Газоразрядное устройство (газовый разрядник). Он содержит трубку, заполненную аргоном или неоном и имеющую электроды, сделанные из специального сплава. Все это помещено в стеклянный или керамический корпус. Когда к такому устройству прикладывается высокое импульсное напряжение со скоростью около 1 кВ/мкс, в трубке возникает разряд. Чем меньше скорость нарастания фронта, тем выше должно быть напряжение, "зажигающее" разряд. Через такое устройство может проходить ток до 100 кА. Несмотря на отличную способность снижать напряжение, газоразрядник имеет время реакции от сотен наносекунд до единиц микросекунд, что в десятки раз медленнее по сравнению с металлооксидными варисторами. Применение данных устройств актуально только в открытой сельской местности, где есть вероятность прямого удара молнии в провода.

Варисторы. Эти электронные приборы, по своей сути, являются резисторами с сопротивлением, зависящим от приложенного напряжения. Изготавливаются они из оксида цинка и имеют форму диска. При повышении напряжения выше номинального, варисторы в течение 25 нс резко понижают своё сопротивление, ограничивая помеху до величины остаточного напряжения стабилизации. Такие элементы способны работать с током до 40-80А. Недостатками варисторов являются их старение после каждого разряда и, следовательно, перегрева, что сокращает время их службы до нескольких лет.

Защитные TVS диоды. Т.к. ёмкость варисторов составляет не менее 1000 пФ, то они не позволяют фильтровать высокочастотные выбросы выше 100 МГц. В таких случаях лучшим решением является применение быстродействующего супрессор-диода. Он работает по принципу стабилитрона (двунаправленного диода), но отличается от него скоростью переключения лежащей в пикосекундном диапазоне. Эти элементы позволяют пропускать через себя ток стабилизации не более 4-15 А. В сетях электропитания они применяются довольно редко, так как столь малые выбросы перенапряжений сами по себе гасятся в сетевых фильтрах и блоках питания электронных устройств. В основном такие диоды применяются для защиты высокочастотных информационных линий: уличные антенны, локальные сети и т.п.

Рассмотрим на примере: когда импульс перенапряжения с амплитудой 10 кВ и скоростью нарастания фронта порядка 1 кВ/мкс поступает на вход схемы, изображённой на рисунке, он вызывает разряд в газоразрядной трубке, который снижает амплитуду импульса до 600-700 В. Варистор снизит напряжение до уровня, близкому к напряжению стабилизации. При прохождении через супрессор-диод амплитуда снижается уже точь-в-точь до нужного напряжения стабилизации. Последовательность срабатывания этих устройств должна определяться индуктивностями, которые вносят временную задержку в распространение импульса (помехи). Если его фронт на входе системы пологий, то есть скорость его нарастания меньше 1 кВ/мкс, то разряда в газоразрядной трубке не возникает, а импульс перенапряжения подавляется следующими ступенями защиты - варистором и (или) супрессор-диодом.

Здесь возникает соблазн ограничится использованием только одного TVS диода. Теоретически всё верно: он же срабатывает значительно быстрее всех предыдущих элементов защиты. Но каждый последующий элемент более "нежный", чем предыдущие. При ударе молнии варисторы и диоды просто сгорят или разлетятся на части.

У защитных дисковых варисторов есть две основных величины: классификационное напряжение, которое указывается после буквы К и размер корпуса, указывающийся после буквы S. Классификационное напряжение - это такое постоянное напряжение, при котором через элемент протекает ток в 1 мА. При дальнейшем увеличении напряжения варистор начнёт медленно нагреваться, что приведёт к его взрыву. При этом с него слетит толстый слой защитной краски, сам элемент перейдёт в режим короткого замыкания, а пространство в радиусе десяти сантиметров будет запачкано слоем копоти. Если элемент имеет низкие монтажные ножки, то при перегреве он может расплавить припой или даже печатную плату и выскочить из посадочного места. Его корпус, подверженный возможному нагреву, не должен касаться сетевых проводов и любых других плавящихся или горючих материалов и поверхностей. Обычно для защиты бытовой аппаратуры используются варисторы со следующими классификационными напряжениями: 390, 430 и 470 вольт, что соответствует граничному напряжению переменного тока соответственно в 250, 275 и 300 В. Исключением являются варисторы фирмы Epcos у которых на корпусе указано максимально допустимое напряжение переменного тока. Для техники уже является опасным напряжение в 250 вольт. Но, как показывает практика, большинство аппаратуры, особенно с цифровыми блоками питания, работает и при 270-280 В. Правда, при этом возникает некоторый перегрев блоков питания, а при дальнейшем малейшем повышении напряжения – выход из строя. Как ни странно, но в подавляющем большинстве сетевых фильтров установлены варисторы именно на триста вольт (471 В кл. напр.), а при таком напряжении большинство техники уже успеет сгореть. Сами элементы лучше выбирать максимально крупногабаритные (S14-20), т.к. они позволяют выдерживать большие перегрузки по току, в то время как варисторы с диаметром корпуса менее S10-14 могут просто взорваться при перегреве, перенапряжении или повторном включении защитного автомата после выхода элемента из строя. Не стоит забывать и про допустимый максимальный разброс напряжения срабатывания варисторов в +- 10% в зависимости от партии поставки. Поэтому в реальной ситуации варистор может сработать не точно при напряжении в 250 В, а в пределах 225-275 В. Для большей уверенности рекомендуется использовать несколько однотипных элементов из разных партий поставки или от различных производителей. Дополнительно это является ещё и своеобразной мерой дублирования элементов защиты.

Все защитные элементы устанавливаются параллельно линии питания после защитного автомата. Он должен быть обязательно двойным, чтобы отключать сразу и фазу и ноль. Рекомендуется применять защитные автоматы класса С для предотвращения ложного срабатывания при стабилизации небольших скачков напряжения. Для дополнительного предотвращения разрушения варисторов при перегреве или перенапряжении не стоит использовать защитные автоматы на ток более 10-16 А. В данном случае рекомендуется использовать автомат с номинальным током лишь несколько превышающем ток потребления подключённого к нему оборудования. Также необходимо учитывать возможность возгорания и перегрева защитных элементов. Поэтому рекомендуется монтировать их выводы к линии питания не пайкой, а резьбовыми или контактными соединениями, что впоследствии упростит замену сгоревших деталей. Сами элементы желательно располагать в отдельном маленьком металлическом электрощитке, вблизи основного, либо в его отдельной части, свободной от нависающих проводов и других плавящихся материалов. Крепёжные конструкции для выводов варисторов должны обязательно находиться на подложке из негорючего материала для предотвращения их возможного оплавления.

Разрядники, варисторы и диоды имеют различное время срабатывания, что вызывает необходимость отделять их друг от друга дросселями (индуктивностями). Чем больше время реакции элемента, тем большей индуктивностью должен обладать разделяющий дроссель.

Схема готового блока трехуровневой защиты от перенапряжений должна выглядеть примерно так:

Мифы о заземлении

Почему-то все считают, что фильтр без заземления абсолютно ничего не фильтрует. Но это просто глупое заблуждение. Качество фильтрации помех из-за отсутствия заземления в худшем случае уменьшится незначительно. А какова связь между заземлением и фильтрацией перенапряжений? Для этого нужно ввести ещё два понятия: симметричные и асимметричные перенапряжения или помехи. Первые распространяются одновременно по двум проводам (фазе и нулю), поэтому разности потенциалов, приложенной к выводам защитных элементов, не возникнет, и они спокойно пропустят импульс на подключённое оборудование. Со вторым типом перенапряжений вышеприведённая схема как раз справляется.

При наличии заземления появляется ещё один независимый провод с нулевым потенциалом, по которому не текут сторонние токи и к которому не подключены никакие электроприборы. На него можно ещё дополнительно "опереть" защиту от перенапряжений. Теперь защитные элементы включаются не только между фазой и нулём, а между всеми тремя проводами: фаза-ноль, ноль-земля, фаза-земля. Такая схема включения называется защитным треугольником, который подавляет все помехи. Причём качество фильтрации асимметричных помех увеличивается в два раза, т.к. паразитные перенапряжения будут сбрасываться не только на соседнюю фазу, но и на землю.

Схема варисторного (диодного, разрядного) треугольника:

Фильтрация высокочастотных помех

Введение

Сначала следует опять сделать отступление и уточнить, что полностью избавиться от помех невозможно: можно только ослабить их амплитуду до уровня, который следует считать несущественным для определённого оборудования. Подавление помех основано на комбинированном применении всего двух элементов: конденсаторов и дросселей. Хотя есть модели фильтров и на дискретных элементах, но качество их работы не отличается от стандартных конструкций, за исключением меньших габаритов. Здесь пойдёт разговор уже про сам фильтр как таковой, хотя блок защиты от перенапряжений тоже является своеобразным фильтром величин больших порядков.

Конденсаторы

Ёмкость, при параллельном включении, исполняет роль фильтра высоких частот путём замыкания их на соседнюю фазу. Принцип действия у конденсаторов почти такой же, как и у защитных варисторов, только они способны замыкать через себя помехи любого напряжения в широком диапазоне частот, а не только повышенного. Иными словами, когда на достаточно большую ёмкость попадает сигнал с достаточно высокой частотой, то происходит динамическая разрядка или подзарядка конденсатора, который, за счёт небольших изменений энергии на своих пластинах, тем самым, поглощает помеху или замыкает её на другую фазу. Чем меньше частота помехи, тем большей ёмкостью должен обладать конденсатор для её подавления.

Для данных целей используют специальные конденсаторы подавления ЭМП, которые подвергаются перенапряжениям и переходным процессам в сети. По этой причине к ним предъявляются особые требования, которые отражены в соответствующих стандартах безопасности. Они обязательно изготавливаются в большом пожарозащищённом корпусе. X и Y конденсаторы эффективны против различных видов электромагнитных помех:

X-конденсаторы, которые подключаются между фазами, эффективны для подавления асимметричной помехи (противофазный режим). Применяются в электроприборах, где неисправность конденсатора не приведет к опасному электрическому удару. X-конденсаторы разделены на три подкласса согласно пиковому импульсному напряжению, которому они подвергаются при тестировании. Эти перенапряжения могут быть вызваны молнией или коммутационными процессами в сети.

Y-конденсаторы, которые подключаются между фазами и землёй, эффективны при подавлении симметричной помехи. Используются там, где неисправность конденсатора может привести к электрическому удару. Ограничение их ёмкости предназначено для уменьшения тока, проходящего через конденсатор на землю для предотвращения ложного срабатывания УЗО и поражения человека током.

Главное свойство, которым должен обладать помехоподавляющий конденсатор - низкая индуктивность выводов. Чем она меньше, тем более высокие частоты он способен подавить. Эффективность подавления частот более 100 МГц резко падает практически у всех типов конденсаторов. Увеличение емкости тут ничего не изменит, а, наоборот, усугубит ситуацию ещё сильнее, т.к. конденсаторы с высокими номиналами всегда имеют большую индуктивность выводов. Конденсаторы подавления ЭМП относятся к классу К73-17, поэтому имеют аналогичные проблемы на СВЧ. Помимо этого, они достаточно дороги и с лёгкостью заменяются простыми металлоплёночными конденсаторами типа К73-17 на напряжение не ниже 630 вольт постоянного тока. Лучше всего с задачей фильтрации на высоких частотах справляются монолитные многослойные керамические конденсаторы или проходные, которые позволяют расширить этот диапазон вплоть до 10 ГГц! Но они имеют ёмкость не более 0.01 мкФ, а для качественного помехоподавления на низких частотах требуется применение конденсаторов с ёмкостью до 4-10 мкФ. С этой точки зрения выгодно комбинировать ёмкости: для низких частот взять элементы типов К73-21б, К73-43, К73-57, К78-2, К73-17, а для высоких (сверхвысоких - СВЧ) - керамические высоковольтные конденсаторы. При параллельном подключении конденсаторов их ёмкость складывается, а индуктивность уменьшается, но таким способом всё равно не удастся отказаться от использования СВЧ конденсаторов для более качественного подавления частот выше 500 МГц.

Влияние ёмкости конденсатора на диапазон подавляемых частот:

Ёмкость Х-конденсатора обычно не превышает 1-2 мкФ, но для качественного помехоподавления на низких частотах её желательно увеличить до 4-10 мкФ. Ёмкость же Y-конденсатора выбирается в пределах 5-30 нФ. В основном они работают на "подфильтровку" высоких частот, поэтому их желательно выбирать именно керамические и с большим запасом по напряжению (от 1000 В), чтобы исключить возможность их пробоя на землю, и поражения человека и оборудования током.

Изображение схемы подключения ёмкостного помехоподавляющего треугольника представлена ниже:

Заметьте, что Y-конденсаторы создают при отсутствии заземления на корпусе устройства паразитный потенциал в 110 В переменного напряжения, ток которого тем больше, чем больше их ёмкость. Эта ситуация создает очень большую опасность выхода из строя устройств при коммутации. Для человека они не представляют смертельной опасности, но при касании незаземлённого корпуса возможно неприятное покалывание пальцев и кистей рук. Поэтому при отсутствии заземления лучше вообще не использовать Y-конденсаторы. Несколько аналогичная ситуация возможна и с Х-конденсатором: на нём долго сохраняется напряжение питающей сети, под которое можно попасть случайно прикоснувшись руками к выводам вилки сетевого фильтра. Для предотвращения этой ситуации параллельно Х-ёмкости ставится резистор сопротивлением 1 МОм, который постепенно разряжает конденсатор через себя.

Индуктивность

Ещё одним элементом, который используется в фильтрах, является катушка индуктивности (соленоид, дроссель). Если принцип действия конденсатора основан, как и у диода, на замыкании помехи через себя, то индуктивность является как бы частотным резистором: она физически не пропускает через себя высокочастотные колебания. Устанавливаться дроссели должны последовательно фазному и нулевому проводу. Устанавливать их на заземляющий проводник нельзя. Характер вносимого затухания индуктивности практически аналогичен ёмкостному. Поэтому, чем меньше индуктивность, тем более высокие частоты она фильтрует. Рекомендуется секционно применять дроссели с различной индуктивностью для перекрытия как можно большего частотного диапазона.

Катушки могут быть выполнены как воздушными, так и на магнитных сердечниках. Последние используются для увеличения индуктивности соленоида и уменьшения его габаритов, хотя и вносят неравномерность в характер вносимого затухания. Основной материал сердечника, феррит, подходит для этих целей не лучшим образом, но он достаточно дёшев и выпускается с большой магнитной проницаемостью. Чем больше габариты сердечника, его проницаемость и количество витков на нём, тем большей индуктивностью обладает дроссель и тем более низкие частоты подвергаются фильтрации. Намотка на общий сердечник выполнятся, как правило, встречно для подавления синфазных помех. При таком типе намотки одна фаза пропускается через сердечник в одном направлении (например, вход-выход), а другая в обратном (выход-вход). Дроссели на отдельных сердечниках используются редко, т.к. довольно сильно шумят при своей работе. Для качественной фильтрации помех рекомендуется всегда дополнять прямые катушки встречными или одну общую одной перекрёстной.

Ниже приведена схема индуктивной помехоподавляющей секции:

Конструкции сетевых фильтров

Сетевые фильтры состоят из двух принципиальных блоков: фильтрации перенапряжений и помех. Первый обычно содержит варисторный треугольник, а второй - конденсаторы и соленоиды. Блоки подавления высокочастотных помех бывают как однозвенными, так и многозвенными. Обычно одно звено - это индуктивная и ёмкостная секция. Они должны устанавливаться именно в таком порядке по отношению ко входу линии питания: соленоид не пропускает помехи через себя, а то, что проходит, фильтруется конденсаторами. Для качественного помехоподавления в максимальном частотном диапазоне желательно применять трёхзвенные конструкции сетевых фильтров.

Пример конструкции качественного сетевого фильтра можно увидеть ниже:

1) Защитный автомат. Его номинальный ток должен быть не меньше тока максимального энергопотребления оборудования. Для подсчёта потребляемого тока необходимо поделить суммарную мощность электроприборов на напряжение питающей сети 220 вольт. После защитного автомата можно еще дополнительно установить УЗО с чуть большим номинальным током. Все дроссели должны быть рассчитаны на прохождение через себя номинального тока защитного автомата. Желательно даже использовать катушки на больший ток, что исключит их возможный перегрев на максимальной нагрузке. В случае самодельного их изготовления нужно использовать провод с таким же сечением или большим, что используется в остальной конструкции фильтра.

2) VD1 - варисторы S20K390 (250 вольт). Две штуки используются для избыточности защиты по напряжению.

3) L1 Дроссель, намотанный на ферритовом кольце с максимальной проницаемостью. Например, M6000 К40х25х11. Количество витков максимально. Используется для фильтрации низких частот.

4) VD2 супрессор-диоды 1.5 КЕ 400СА, включённые по схеме защитного треугольника. Обеспечивают подфильтровку остаточных перенапряжений, которые пройдут через варисторы, без заметных выбросов на земляную шину. При наличии в схеме УЗО, они обеспечат автоматическое отключение нагрузки при сильных синфазных перенапряжениях. В случае отказа от их использования в конструкции, необходимо применять варисторный треугольник в позиции №2.

5) Дроссель L1 со встречной обмоткой для фильтрации синфазных помех.

6) С-Х1 ЭМП Х-конденсаторы или К73-17 с номинальным напряжением 630 В и общей ёмкостью 4-10 мкФ.

7) С-Y1 Керамические высоковольтные Y-конденсаторы любого корпусного исполнения на напряжение не менее 1000 В и ёмкостью 4,7 нФ.

8) Дроссель L2, намотанный на ферритовом кольце со средней проницаемостью. Например, M2000 К40х25х11. Количество витков 20-30. Используется для фильтрации средних частот.

9) Дроссель L2 со встречной обмоткой для фильтрации синфазных помех.

10) С-Х2 ЭМП Х-конденсатор или К73-17 (с номинальным напряжением 630 В) ёмкостью 0,5 мкФ.

11) С-Y1 Керамические высоковольтные Y-конденсаторы любого корпусного исполнения на напряжение не менее 1000 В и ёмкостью 4,7 нФ.

12) L3 Дроссель, намотанный на ферритовом кольце с малой проницаемостью для фильтрации СВЧ. Например, M100 К40х25х11. Количество витков 6.

13) Дроссель L3 со встречной обмоткой для фильтрации синфазных помех.

14) L4 ферритовая фильтр-защёлка на кабель. Через неё пропускаются только фазный и нулевой провод.

15) С-Х3 Керамические высоковольтные Y-конденсаторы любого корпусного исполнения на напряжение не менее 1000 В и ёмкостью 30 нФ. Желательно набирать требуемую ёмкость из нескольких параллельно включенных конденсаторов для уменьшения общей индуктивности. Применяются для окончательной фильтрации СВЧ помех фаза-ноль.

16) С-Y1 Керамические высоковольтные Y-конденсаторы любого корпусного исполнения на напряжение не менее 1000В и ёмкостью 4,7 нФ.

Элементы, обведённые пунктиром, должны обязательно заключаться в металлический экран для предотвращения попадания паразитных радиоизлучений из окружающего пространства на выходные провода и фильтрующую секцию. Его можно легко изготовить, например, из листового железа. Сам кожух экрана необходимо заземлить. Провода, идущие от выхода сетевого фильтра на устройства, тоже должны заключаться в металлические экранирующие оболочки, которые также подлежат заземлению. Для этой цели удобно использовать металлические гофрированные кабель-каналы. Правда, их тонкая оболочка не обеспечит достаточного экранирования кабеля, поэтому целесообразно прокладывать кабель в стальных трубах, толщиной от трёх миллиметров, либо в медных трубках, которые используются для подключения кондиционеров и систем отопления.

Что имеется в продаже?

В магазинах с трудом можно найти даже однозвенные конструкции. Я не говорю про профессиональные или промышленные фильтры, которые вполне ничего, а про среднестатические изделия, в том числе и разрекламированные аудиофильские. Обычно эти фильтры состоят из варисторного треугольника на 300 вольт переменного тока и Х-конденсатора небольшой ёмкости. Иногда возможно наличие небольших дросселей. Понятно, что такие "поделки" не дотягивают даже до полноценных однозвенных конструкций и способны лишь незначительно фильтровать частоты в районе 0,1-10 МГц. Но даже таких фильтров недостаточно для полноценной фильтрации сетевых помех, тем более, если мощность звуковоспроизводящего комплекса превышает 2 кВт: фильтров большей мощности в бытовом секторе нет.

ИБП

В базовой статье, посвященной электропитанию, я уже говорил про обязательное применение источников бесперебойного питания с двойным преобразованием питающего напряжения. Вместо них также можно использовать промышленные выпрямители и инверторы, но данная схема очистки электропитания будет более громоздкой и дорогой, да и не обеспечит защиты от отключения питающего напряжения. При данном подходе необходимость в использовании малоэффективных стабилизаторов напряжения отпадает. Если напряжение в электросети выходит за пределы входного напряжения ИБП, то перед ним необходимо устанавливать специальный повышающий или понижающий трансформатор. Шины питания, идущие с выхода ИБП на оборудование, должны находиться в металлических экранирующих кожухах, о которых писалось выше. Только теперь они должны заземляться не на защитное, а на дополнительное заземление и не иметь контакта с ИБП. Рекомендуется перед каждым компонентом ДК установить по дополнительному защитному автомату (лучше УЗО) на номинальный ток чуть выше, чем ток потребления данного аппарата. Необходимость в сетевых фильтрах на данных участках сети отсутствует.

При монтаже электропроводки рекомендуется использовать только металлические кабель-каналы, распаячные коробки и электрощиток, которые подлежат заземлению. Это обеспечит максимальную пожаро- и электробезопасность, особенно при использовании УЗО. Соединения всех проводов питания и заземления желательно сразу пропаивать, т.к. медь подвержена окислению, а рассчитанная электропроводка имеет свойство загораться через несколько лет при максимальной нагрузке. Исключению при пайке подлежат только контакты защитных автоматов и УЗО.

Заземление

Теперь необходимо рассмотреть не защитную функцию заземления, а его использование для повышения качества звуко- видео воспроизведения. В общих чертах, заземление позволяет:

1) Повышает соотношение сигнал-шум и взаимопроникновение каналов аудиоустройства.

2) Повышает качество работы аппарата: обычно внутри его корпуса принципиальные блоки имеют защитные экраны, которые должны быть заземлены.

3) Снижает уровень электромагнитного излучения оборудования в окружающее пространство при работе и, следовательно, на соседние устройства.

4) Снижает уровень электромагнитного излучения, которое проникает из окружающего пространства или устройств, на данный аппарат. Ситуация аналогична вышеприведённому пункту, только имеет зеркальное отражение.

5) Снижает риск выгорания входов и выходов оборудования при коммутации.

К сожалению, ситуация такова, что для студийной техники и для обеспечения вышеприведённых пунктов требуется именно отдельное заземление. Если же в вашем доме сделано заземление, то оно таковым не является и представляет собой лишь отдельный провод, идущий от нулевой точки трансформатора. Вдаваться в принципы построения электросетей я не хочу, да и смысла в этом нет никакого. Хотите разобраться - воспользуйтесь интернетом и читайте ПУЭ последнего издания. Я также прекрасно понимаю, что изготовление собственного заземления возможно, наверное, только в сельских условиях, поэтому дальнейшие описания характерны именно для данного случая.

Расчёт заземлителя

Сразу хочу поставить большую и жирную точку в расчёте заземлителя. Всё это очень подробно расписано в здесь. Сам расчёт занимает не более 15 минут. Скажу сразу, что этот пример расчёта, предназначен для электроподстанций, где падение высоковольтного провода на землю может вызвать поражение человека током. Такую схему соединения труб по периметру удобно использовать на этапе строения фундамента здания или забора, что позволит погрузить металлоконструкции вниз относительно глубины заложения фундамента, а не самого грунта. Соединительная полоса внутри периметра заземлителя в данном случае не нужна.

Дополнительное заземление, предназначенное для заземления стойки, экранов кабелей питания и корпусов техники, должно обладать минимально возможным сопротивлением. Например, Филип Ньюэлл для одной московской студии делал заземление сопротивлением в 0,01 Ом! Для этого, наверное, потребовалось вбить в землю минимум десятиметровые сваи. Понятно, что это не только финансово непосильно, но и представляет огромную техническую сложность. Не стоит забывать, что расчёт заземления является лишь приблизительным, позволяющим определить количество необходимого материала и средств для изготовления данной конструкции. Сопротивление заземлителя может зависеть от многих факторов, поэтому при расчёте или закупке материала всегда необходимо выделить необходимые средства с запасом для возможного наращивания проектируемого заземлителя. Также не стоит забывать про необходимость в двух заземлениях: защитном и дополнительном, которые, для исключения взаимного экранирования и наводок, должны располагаться в диаметрально противоположных частях земельного участка.

Расположение заземлителей

Обычно заземление изготавливается из пустотелых стальных труб, которые зарываются в пробуренные в земле отверстия, а затем провариваются между собой металлической полосой. При их правильном расположении можно значительно понизить сопротивление заземлителя. Поэтому стоит пояснить наиболее распространённые ситуации на картинках с соответствующими комментариями. Синие стрелочки показывают направление тока растекания заземлителя.

На первом рисунке изображено типичное самодельное заземление. Трубы установлены группой с расстоянием друг от друга в метр. При таком способе расположения ток стекает на землю только через внешние поверхности внешнего периметра заземлителя. Часть заземлителя, обозначенная красным цветом, является эквипотенциальной поверхностью, поэтому никаких токов по металлоконструкциям, находящимися в этой зоне, не протекает. В данном случае были только зря потрачены деньги на покупку двух внутренних труб и полосы для них.

Второй рисунок показывает правильное расположение заземлителей - в ряд. При этом эффект взаимного экранирования минимален и для растекания тока используется весь купленный материал.

Третий рисунок поясняет неправильное расположение защитного и дополнительного заземления. В данном случае при пробое фазы на корпус и отсутствии УЗО перед оборудованием, подключённого к одному из этих заземлителей, вокруг последнего образуется напряжение шага. Под него может попасть человек, стоящий босиком на голой земле возле заземлителя, а также это напряжение может попасть на соседний заземлитель.

Четвёртый рисунок сводит вышеописанную ситуацию к минимуму путём разнесения защитного и дополнительного заземления в диаметрально противоположные стороны участка.

Изготовление заземлителя

Выше я уже говорил, что он в основном изготавливается из стальных труб. Этот способ довольно прост, не требует перекапывания множества кубических метров грунта и максимально использует площадь пробуренного отверстия и трубы. Обычно глубина их заложения составляет 1-1,5 метра и связана с ограниченными размерами ручных буров. При изготовлении заземления следует учитывать тот факт, что заземлитель подвергается очень сильной коррозии на границе металл-земля при протекании по нему даже самых малых токов. Это обязывает применять довольно толстостенные металлические предметы толщиной не менее 5 мм. Вообще для изготовления заземлителя можно использовать любой подручный металлолом. Запрещено использование крашеных, грунтованных или покрытых любым другим токонепроводящим покрытием предметов. Т.к. соединение частей заземлителя выполняется сваркой, то рекомендуется покрывать эти места краской или битумом для предотвращения ускоренной коррозии и потери электрического контакта между составными частями общей металлоконструкции. После изготовления заземлителя, к нему приваривается ещё один кусок полосы, который необходимо довести до самого электрощитка. Общий провод от колодки шины заземления щитка крепится посредством винта и шайбы к ошкуренному концу металлической полосы. Использование во вводе в здание полосы позволяет обеспечить большую площадь контакта между ней и проводом заземления щитка. Если корпус электрощитка металлический, то необходимо приварить отвод от заземлителя прямо к нему.

В последнее время в России набирает популярность иностранный способ изготовления заземления из вертикальных заземлителей. Они представляют собой омеднёные стальные стержни, которые, благодаря возможности взаимного соединения через резьбовые втулки, можно опускать на глубину до 20 метров. Медное покрытие обеспечивает более стабильное сопротивление растекания тока заземлителя и вдвое больший срок службы. Такая конструкция особо себя зарекомендует в уже построенных зданиях, где нет заземления. Т.к. для забивки стержней используется вибромолот, то он позволяет избавиться от необходимости перекапывания больших объёмов почвы. Такой заземлитель можно смело установить в подвале или других укромных уголках земельного участка без нанесения урона внешнему виду последнего. Для этого потребуется только небольшая ямка и 1-2 метра площади для работы с вибромолотом. В комплекте к таким заземлителям обычно продаётся и омеднёный пруток, к которому можно просто припаять провода заземления в электрощитке. Если грунт представляет собой чернозём, то, для удовлетворения требованиям ГОСТ в 4 Ом, обычно достаточно вбить эти стержни на глубину 10-20 метров. Возможно так же приобрести стержневые заземлители из нержавеющей стали, что увеличит срок их службы до пятидесяти и более лет. При этом желательно перед забивкой в землю проваривать газовой сваркой ободок соединительной втулки, что обеспечит полную монолитность конструкции и предотвратит попадание влаги в место соединения, чего нельзя сделать в случае применения омеднённых стержней из-за неизбежного выгорания медного покрытия.

Статьи

Основы студийного звуковоспроизведения

Аудиосистемы класса Ultimate Studio

Дополнения

Разное