Подключение заземления в одном электрическом контуре

Рассмотрим некоторые особенности подключения к осветительной сети 220 В электрических устройств с точки зрения безопасности как человека, так и компьютера.

На рис. 23 представлена схема сетевого фильтра по питанию (ФП), применяемого практически в каждом источнике питания

її

9 9

Розетка с заземляющим контактом

Фильтр

HI—

jit

Инвертор- п реобразов атель

Рис.

бытовых устройств различной сложности (телевизора, компьютера или периферийного устройства).

Конденсаторы электрического фильтра предназначены для шун­тирования высокочастотных помех осветительной сети на «землю» через провод защитного заземления и трехполюсные вилку (ште­кер) и розетку. Провод заземления соединяют с контуром заземле­ния, его недопустимо соединять с «нулем» осветительной сети. При устройстве «зануления» необходима гарантия того, что нуль не ста­нет фазой, если кто-нибудь «перевернет» штекер питания. Если же «землю» устройства никуда не подключать, на корпусе (общем про­воде) устройства может появиться переменное напряжение 100 В (рис, 24): конденсаторы фильтра работают как емкостный делитель напряжения, и, поскольку их емкость одинакова, 220 В делится по­полам.

-2Ї0У -О V

Мощность данного источника ограничена, поскольку ток коротко­го замыкания I на землю составляет от единиц до десятков микро­ампер; причем чем мощнее источник питания, тем больше емкость конденсаторов фильтра и, следовательно, ток.

При емкости конденсатора С = 0,01 мкФ ток будет около 0,7 мА. Данные значения переменного тока и напряжения опасны для че­ловека, особенно для ребенка или домашнего животного (их масса и устойчивость к опасным факторам намного ниже, чем при прочих равных условиях у взрослого человека).

Что же происходит при соединении с помощью кабеля двух раз­личных устройств, например телевизора - DVD-проигрывателя, музыкального центра - усилителя низкой частоты (НЧ), компью­тера - принтера)?

Общий провод кабеля имеет электрический контакт с общим проводом электрических схем и печатных плат, а также и корпусом устройства (если он из токопроводящего материала). Когда соеди­няемые устройства надежно заземлены (занулены) через отдельный провод на общий контур (рис, 25), проблемы разности потенциалов не возникает.

На рис, 25 показано правильное подключение электрических устройств.

Рис. 25. Правильное подключение электрических устройств

Если же в качестве заземляющего провода использовать нулевой провод питания при разводке питающей сети с трехполюсными ро­зетками двухпроводным кабелем, на нем будет присутствовать раз­ность потенциалов, вызванная падением напряжения от протекаю­щего силового тока I _г Эту опасную ситуацию иллюстрирует рис, 26.

Если в эти же розетки включать устройства с большим энер­гопотреблением (например, мощный лазерный принтер или факс старого образца), разность потенциалов будет ощутимой. Также бу­дут заметными импульсные помехи, создаваемые при включении/ выключении этих устройств. Эквивалентный источник напряжения

Рис. 26. Появление разности потенциалов при двухпроводном кабеле питания

при невысоком значении электродвижущей силы (ЭДС) E_ml < 10 В будет иметь низкое выходное сопротивление, равное сопротивлению участка нулевого провода.

Р = Р + Р

I 2 3'

Поскольку обычно сопротивление соединительного кабеля боль­ше питающего (так как сечение проводов питающего кабеля больше сечения проводов кабеля соединения), через общий провод соеди­нительного кабеля потечет ток, существенно меньший, чем силовой.

Это прямое следствие закона Ома:

U = I х R, то есть I = U / R.

Но при нарушении контакта в нулевом проводе питания через соединительный кабель может протекать и весь ток, потребляемый устройством.

Значение этого опасного тока может достигать нескольких ампер, что повлечет выход устройств из строя. Разные потенциалы относи­тельно общего провода (корпуса) разных устройств также являются источником помех. Такая ситуация представлена на рис, 27.

Самая опасная ситуация возникает при обрыве нулевого провода (к примеру, отгорел нулевой провод в щите или распределительной коробке) в случае заземления устройств через рабочий нулевой про­вод (рис, 28).

Тогда через трансформатор источника питания, или двигатель устройства (к примеру, пылесос) на нулевой клемме прибора, а зна-

Фаза

Рис. 27. Появление фазного напряжения на общем проводе (корпусе устройства) при обрыве нулевого провода

Фазе

чит, и на корпусе устройства, появится опасное напряжение 220 В - с большой потенциальной мощностью. Это чревато очень тяжелыми поражениями электрическим током. Поэтому никогда не присоеди­няйте рабочий нулевой проводник к корпусу электроприбора.

Внимание, пример!

Домохозяйка «А» применяла в комнате пылесос по назначению. Вдруг двигатель пылесоса перестал работать (по техническим при­

чинам пропал контакт нулевого провода в электрическом шкафу жи­лого дома). «А» стала искать причину в пылесосе, дотронулась рукой до металлической части корпуса, а оголенной коленкой коснулась батареи отопления.

Рис. 29. Пораженный электрическим током в галерее «Эрарта»

Посмотрим - и вернемся к правильному заземлению.

Если оба соединяемых кабелем 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 соединительного кабеля будет мал, и разность потенциалов между общими проводами в схемах (платах) устройств тоже будет мала. Но не следует забывать о безопасности человека.

Так, если незаземленные устройства подключены к разным фазам, разность потенциалов между их несоединенными корпусами будет порядка 190 В, при этом уравнивающий ток через кабель может до­стигать десятка миллиампер.

Почему выходят из строя электронные устройства?

Безопасной можно считать такую ситуацию, когда все соединения/ разъединения выполняются при отключенном питании. Это правило важно как для мобильных телефонов и их зарядных устройств, так и для всех электронных устройств, имеющих силовые адаптеры к на­пряжению осветительной сети 220 В. И наоборот, при коммутациях при включенном питании возможны неприятности: если контакты общего провода соединительного кабеля соединяются позже (или разъединяются раньше) сигнальных, разность потенциалов между общими проводами в разных схемах прикладывается к сигнальным цепям, что чревато частым выходом из строя электронных устройств и целых блоков. А они могут быть весьма дорогостоящими и нере­монтопригодными (ремонт не рентабелен).

Соединение заземленного устройства с незаземленным, особенно когда у последнего мощный источник питания, приводит к немину­емому выходу из строя электронных устройств.

Для устройств, источники питания которых имеют шнуры с двух­полюсной вилкой (такие еще встречаются), эти проблемы также ак­туальны. Источники питания зачастую имеют сетевой фильтр, но с конденсаторами малой емкости (следовательно, ток короткого за­мыкания достаточно мал).

Вилка для сетевого провода с заземляющим контактом представ­лена на рис. 30.

Рис. 30. Вилка для розетки осветительной сети с заземляющим контактом

На рис. 31 представлен вид на подключенные вилки в розетку скрытой проводки в обычной квартире.

Рис. 31. Подключение вилки в розетку скрытой проводки в обычной квартире

Весьма опасны сетевые шнуры устройств с двухполюсной вилкой, которыми подключаются источники питания с трехполюсным разъ­емом. Домашние пользователи, подключающие свои устройства в бытовые розетки, могут столкнуться с проблемами из-за отсутствия заземления.

Далеко не в каждой квартире сегодня установлены «евророзетки» с надежным заземлением. Еще меньше процент безопасных силовых подключений в старом фонде сельских домов.

Локально проблемы заземления решает применение сетевых фильтров типа Pilot и им подобных (рис. 32).

Электрическая схема фильтра представлена на рис. 23.

Питание от одного ФП всех устройств, соединяемых интерфейса­ми, решает проблему разности потенциалов. Еще лучше, когда ФП включен в розетку с заземлением. Однако заземляющие контакты розеток могут иметь плохой контакт вследствие слабой (изменяю­щейся со временем эксплуатации) упругости или заусениц в пласт­массовом кожухе.

Кроме того, эти контакты не любят частого вынимания и вставки вилок, поэтому обратите внимание:

• обесточивание оборудования по окончании работы лучше вы­полнять выключателем питания фильтра (предварительно вы­ключив устройства);

• рекомендуется отключать питание при подключении и отклю­чении соединительных кабелей.

Почему? Небольшая разность потенциалов, которая практически исчезнет при соединении (электрическом контакте) устройств об­щими проводами интерфейсов, может «пробить» входные и выход­ные цепи сигнальных линий, если в момент присоединения разъема контакты общего провода соединятся позже сигнальных.

Внимание, пример!

Пользователю ПК «В» время от времени требовалось включать ска­нер, имеющий адаптер к сети 220 В. Чтобы не «втыкать» постоянно кабели в разъем USB и разъем питания, «В» соединил штатным кабе­лем USB-разъемы сканера и системного блока и подключил сетевой адаптер к напряжению 220 В (между прочим, через фильтр по пита­нию). Выход сетевого адаптера оставил свободным и по необходи­мости вставлял разъем на проводе сетевого адаптера в гнездо для питания сканера. Это продолжалось 2 месяца. В один из дней при очередном некорректном включении сканер вышел из строя.

Такая же ситуация может возникнуть (и возникает!) при включении на подзарядку сотовых телефонов.

К помехам, вызванным разностью потенциалов общих проводов схем (корпусов) устройств, наиболее чувствительны параллельные порты. У последовательных портов и разъемов бытовой техники зо­на чувствительности к статике ниже (пороги ±3 В), еще меньшую чувствительность имеют интерфейсы локальных сетей, где обычно имеется гальваническая развязка сигнальных цепей от общего про­вода с допустимым напряжением изоляции порядка 100 В.