ZÁKLADY? TO JE DŮLEŽITÉ! | MODELÁŘ-NÁVRHÁŘ
Spolehlivé napájení a uzemnění jsou nesmírně důležité pro provoz domácích spotřebičů, počítačů, místních sítí, periferních zařízení připojených různými kabely (například počítač-tiskárna, TV-VCR a v dalších případech). Použití ochranných zařízení, zejména nepřerušitelných zdrojů napájení (UPS), je účinné pouze v případě dobrého uzemnění. Praktické provedení spolehlivého uzemnění je natolik důležité (z hlediska ochrany, dlouhodobého provozu a bezpečnosti), že je neméně důležité, než řekněme lidský život a zdraví. Koneckonců, tyto pojmy jsou vzájemně propojeny. Jak spolehlivě uzemnit zařízení je tématem mého článku.
Připojení uzemnění v jednom elektrickém obvodu
Zvažme některé vlastnosti připojení elektrických zařízení k osvětlovací síti 220 V z hlediska bezpečnosti osob i samotných zařízení.
Obrázek 1 ukazuje schéma filtru elektrického vedení (PF), používaného v téměř každém zdroji energie domácích zařízení různé složitosti (televize, počítač nebo periferní zařízení).
Filtrační kondenzátory jsou navrženy tak, aby odváděly vysokofrekvenční rušení z osvětlovací sítě na zem přes ochranný zemnící vodič a odpovídající třípólovou zástrčku a zásuvku. Zemnící vodič je připojen k zemnicímu obvodu, není přípustné jej připojit k „nule“ osvětlovací sítě. Při instalaci „nulovacího“ zařízení je nutné zajistit, aby se nula nestala fází, pokud někdo „přetočí“ zástrčku. Není-li „uzemnění“ zařízení nikde připojeno, může se na těle (společném vodiči) zařízení objevit střídavé napětí 100 V (obr. 2): filtrační kondenzátory fungují jako kapacitní dělič napětí, a protože je jejich kapacita stejná, je 220 V rozděleno na polovinu.
Výkon tohoto zdroje je omezený, protože zkratový proud 1 kZ do země je od jednotek do desítek mA; Navíc, čím výkonnější je zdroj, tím větší je kapacita filtračních kondenzátorů a následně i proud.
Při kapacitě kondenzátoru 0,01 μF bude proud asi 0,7 mA. Tyto hodnoty střídavého proudu a napětí jsou nebezpečné pro lidi, zejména pro děti nebo domácí zvířata (jejich hmotnost a odolnost vůči nebezpečným faktorům jsou mnohem nižší než u dospělých). V takovém případě můžete dostat elektrický šok například tím, že se současně dotknete jak kovových částí skříně počítače, tak radiátoru topení. Toto napětí je jedním ze zdrojů potenciálních rozdílů mezi zařízeními, které ovlivňují obvody rozhraní.
Rýže. 1. Vstupní obvody (IC) napájecího zdroje domácích spotřebičů
Rýže. 2. Vznik potenciálu na společném vodiči elektrického spotřebiče
Co se stane, když propojíte dvě různá zařízení pomocí kabelu, například televizor s DVD přehrávačem, hudební centrum s nízkofrekvenčním zesilovačem (LF), počítač s tiskárnou? Společný vodič kabelu má elektrický kontakt se společným vodičem elektrických obvodů a desek plošných spojů a také s tělem zařízení (pokud je vyrobeno z vodivého materiálu). Když jsou připojená zařízení spolehlivě uzemněna (neutralizována) samostatným vodičem ke společnému obvodu (obr. 3 ukazuje správné zapojení elektrických zařízení), problém rozdílu potenciálů nevzniká.
Pokud je nulový napájecí vodič použit jako zemnící vodič při zapojování napájecí sítě s třípólovými zásuvkami pomocí dvouvodičového kabelu, vznikne na něm potenciálový rozdíl způsobený úbytkem napětí z protékajícího silového proudu lnul. Tato nebezpečná situace je znázorněna na obrázku 4.
Pokud do stejných zásuvek zapojíte zařízení s vysokým výkonem (například výkonnou laserovou tiskárnu nebo fax ve starém stylu), potenciální rozdíl bude patrný. Také bude patrné impulzní rušení vytvořené při zapnutí/vypnutí těchto zařízení. Ekvivalentní zdroj napětí s nízkou elektromotorickou silou (EMF) hodnota Enul
Vzhledem k tomu, že odpor propojovacího kabelu je obvykle větší než u napájecího kabelu (jelikož průřez vodičů napájecího kabelu je větší než průřez vodičů propojovacího kabelu), bude společným vodičem propojovacího kabelu protékat proud výrazně menší než silový proud. To je přímý důsledek Ohmova zákona: U = I*R, tedy I = U/R.
Pokud je však kontakt v nulovém napájecím vodiči přerušen, celý proud spotřebovaný zařízením může protékat spojovacím kabelem.
Rýže. 3. Správné zapojení elektrických zařízení
Rýže. 4. Vzhled rozdílu potenciálu u dvouvodičového napájecího kabelu
Rýže. 5. Vzhled fázového napětí na společném vodiči (tělo zařízení), když je nulový vodič přerušen
Rýže. 6. Důsledky přerušení nulového vodiče
Hodnota tohoto nebezpečného proudu může dosáhnout několika ampérů, což povede k selhání zařízení. Zdrojem rušení jsou také různé potenciály vzhledem ke společnému vodiči (pouzdře) různých zařízení. Tato situace je znázorněna na obrázku 5. Nejnebezpečnější situace nastává při přetržení nulového vodiče (např. vyhoření nulového vodiče v panelu nebo rozvodné skříni) v případě zemnících zařízení přes pracovní nulový vodič (obr. 6).
Poté se prostřednictvím transformátoru zdroje nebo motoru zařízení (například vysavače) na neutrální svorce zařízení, a tedy na těle zařízení, objeví nebezpečné napětí 220 V s vysokým potenciálním výkonem. To může vést k vážnému úrazu elektrickým proudem. Nikdy proto nepřipojujte pracovní nulový vodič k tělu elektrického spotřebiče!
Příklad!
Hospodyně A použila vysavač v místnosti k určenému účelu. Najednou přestal fungovat motor vysavače (z technických důvodů se ztratil kontakt nulového vodiče v elektrickém panelu obytného domu). A začala hledat příčinu ve vysavači, rukou se dotkla kovové části těla a holým kolenem se dotkla topné baterie. V důsledku toho se její tělo stalo vodičem elektrického proudu po nejkratší cestě a A dostala elektrický šok.
Pokud nejsou obě zařízení propojená kabelem uzemněna (pokud jsou napájena ze stejné fáze sítě), bude mezi nimi rozdíl potenciálů malý (způsobený rozložením kapacit kondenzátorů v různých filtrech). Vyrovnávací proud společným vodičem propojovacího kabelu bude malý a malý bude i potenciální rozdíl mezi společnými vodiči v obvodech (deskách) zařízení. Ale ani v tomto případě by se nemělo zapomínat na bezpečnost člověka.
Pokud jsou tedy neuzemněná zařízení připojena k různým fázím, rozdíl potenciálů mezi jejich nezapojenými pouzdry bude asi 190 V, zatímco vyrovnávací proud kabelem může dosahovat desítek miliampérů.
Proč elektronická zařízení selhávají?
Situaci lze považovat za bezpečnou, když jsou všechna připojení/odpojení provedena při vypnutém napájení. Toto pravidlo je důležité jak pro mobilní telefony a jejich nabíječky, tak pro všechna elektronická zařízení, která mají napájecí adaptéry pro napětí 220 V osvětlovací sítě, a naopak při zapínání se zapnutým napájením jsou možné problémy: pokud jsou kontakty společného vodiče propojovacího kabelu připojeny později (nebo rozpojeny dříve) než ty signálové, je na signálové zařízení aplikován potenciálový rozdíl mezi společnými vodiči v různých obvodech, což je častá porucha celých elektronických zařízení. A mohou být velmi drahé a neopravitelné (oprava není rentabilní).
Připojení uzemněného zařízení k neuzemněnému, zejména pokud má toto zařízení silný zdroj energie, vede k nevyhnutelnému selhání elektronických zařízení. Pro zařízení, jejichž napájecí zdroje mají kabely s dvoukolíkovou zástrčkou (ty jsou stále k dispozici), jsou tyto problémy také relevantní. Napájecí zdroje mají často síťový filtr, ale s malokapacitními kondenzátory (proto je zkratový proud poměrně malý).
Napájecí kabely pro zařízení s dvoukolíkovou zástrčkou, které se používají k připojení zdrojů s tříkolíkovým konektorem, jsou extrémně nebezpečné. Domácí uživatelé, kteří zapojují svá zařízení do domácích zásuvek, mohou narazit na problémy kvůli chybějícímu uzemnění.
Ne každý byt má dnes evropské zásuvky se spolehlivým uzemněním. Procento bezpečného elektrického připojení ve starém venkovském bytovém fondu je ještě nižší. Lokálně jsou problémy s uzemněním řešeny použitím síťových výkonových filtrů (FP) typu Pilot a podobných (obr. 7). Elektrický obvod filtru je znázorněn na obrázku 1.
Rýže. 7. Průmyslový výkonový filtr (FP) Pilot
Rýže. 8. Správné schéma uzemnění
Napájení všech zařízení připojených pomocí rozhraní z jednoho FP řeší problém rozdílů potenciálů. Ještě lepší je, když je FP zapojen do třípólové zásuvky s uzemněním. Svírací kontakty objímek však mohou mít špatný kontakt v důsledku oslabení elasticity nebo přítomnosti otřepů v plastovém pouzdře. Kromě toho tyto kontakty „nemají rády“ časté vyjímání a vkládání zástrček, proto se doporučuje:
— na konci práce je lepší odpojit zařízení od napájení pomocí vypínače napájení filtru (po vypnutí zařízení);
– při připojování a odpojování propojovacích kabelů vypněte napájení.
Proč? Malý rozdíl potenciálů, který prakticky zmizí při připojení (elektrickém kontaktování) zařízení se společnými vodiči rozhraní, může narušit vstupní a výstupní obvody signálních vedení, pokud v okamžiku připojení konektoru jsou kontakty společného vodiče připojeny později než signálové.
Příklad!
Uživatel PC B potřeboval čas od času zapnout skener se síťovým adaptérem 220 V Aby neustále „nestrkal“ kabely do konektoru (USB) a napájecího konektoru, propojil konektory skeneru a systémové jednotky a citlivé paralelní porty standardním USB kabelem. Sériové porty a konektory domácích spotřebičů mají nižší zónu citlivosti na statickou elektřinu (prahové hodnoty +-3 V) a ještě nižší citlivost mají rozhraní lokálních sítí, kde je obvykle galvanické oddělení signálových obvodů od společného vodiče s přijatelným izolačním napětím cca 100 V.
Uzemnění vzdálených zařízení
Problém geograficky rozmístěných zemnících zařízení se stává složitějším. Pokud je silové a zemnící vedení provedeno dvouvodičovým kabelem (obr. 4), bude potenciálový rozdíl způsobený poklesem napětí na zemnících vodičích zvláště patrný. V některých případech je běžnou praxí položit samostatný kabel (s velkým průřezem vodiče) nebo přípojnici pro zemnící obvod. Instalace uzemnění pomocí samostatného kabelu však není vždy vhodná a často neúčinná z hlediska ochrany proti rušení, protože to může vytvářet uzavřené smyčky s širokou oblastí pokrytí – druh antény. Proto je vhodné provádět rozvody energie do vzdálených zařízení pomocí třívodičového kabelu, jehož jeden vodič slouží k ochrannému uzemnění. Potom se přirozeně získá schéma uzemnění ve tvaru stromu (obr. 8), ochranný vodič v kořenové části tohoto „stromu“ je uzemněn nebo „neutralizován“. Další problémy v zapojení napájecích zdrojů pro počítače jsou způsobeny dynamickou nelinearitou vstupního obvodu beztransformátorových napájecích zdrojů (moderních a široce používaných). Tradiční elektrické sítě jsou navrženy pro více či méně lineární zatížení.
V domech s moderním dispozičním řešením je elektrické napájení rozvedeno podle schématu na obrázku 8. Ale co zbytek?
Několik praktických doporučení
V žádném případě se nepokoušejte uzemnit topnou baterii. Pečlivě uzemněte elektrický panel na podestě k vašemu bytu pomocí vodiče s velkým průřezem. Nezapomeňte na bezpečnostní opatření.
Bezpečnostní opatření
Všechny domácí spotřebiče musí být spolehlivě uzemněny. Všechny zásuvky musí být uzemněny (ne částečně nebo selektivně). Je zakázáno připojit zemnící svorku zásuvky nebo zařízení k pracovnímu nulovému vodiči sítě. Při připojování a odpojování propojovacích kabelů různých domácích spotřebičů se doporučuje vypnout napájení. Pokud jsou různá zařízení propojena pomocí kabelů (například v počítačové síti), musí být připojena ke společné prodlužovací šňůře, která má zemnící svorky.