Рис. 13.5. Подключение незаземленного устройства
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.
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, а). 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.
Рис. 13.6. Положение «нуля», «фазы» и «земли»: а — на питающей розетке, б — на выходном гнезде шнура питания
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.
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].
13.2. 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 усилителем-формирователем) в одной микросхеме. Напряжение изоляции может достигать 1–1,5 кВ, максимальная частота — от десятков кГц до десятков МГц. Оптронная 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.
13.3. Интерфейсы блока питания PC
Блок питания PC обеспечивает напряжениями постоянного тока системный блок со всеми его сложными и часто «привередливыми» устройствами. С самых первых моделей PC здесь применяется двухтактная схема преобразователя с бестрансформаторным входом; без революционных изменений эта схема дошла и до наших дней. Преобразователь является регулирующим элементом стабилизатора напряжения основного источника +5 В. Остальные напряжения могут быть стабилизированы дополнительными выходными стабилизаторами, но чаще их оставляют нестабилизированными. При этом чем больше нагрузка блока по основной (стабилизированной) цепи, тем выше напряжения на остальных шинах.
Блоки питания PC не критичны к частоте сети (50 или 60 Гц) и могут работать даже от сети постоянного тока. Относительно старые блоки питания имеют переключатели диапазона входного напряжения. Переключение диапазона входного напряжения легко осуществляется переключателем, который преобразует мостовую схему выпрямителя в схему выпрямителя с удвоением для питания от сети 110–127 В. При включении блока, предназначенного для работы при напряжении 110 В, в сеть 220 В часто выходят из строя ключевые транзисторы или диоды. Современные блоки, у которых указано свойство Autoswitching Power Supply, имеют компоненты с большим запасом по допустимому напряжению и не требуют переключения номинала входного питающего напряжения — они работают в диапазоне 110–230 В.
