"...бесконечность?
Верно. Правильно. Хвалю.
Можешь кушать..."
А. и Б. Стругацкие. "Трудно быть богом"
Сеть первичного питания
Итак, сеть первичного питания. Хорошо нам всем знакомая розетка с двумя (реже четырьмя) дырками, в которую и подключается большинство компьютерной и прочей орггехники. Проблемы, перед лицом которых предстает отечественный энергопотребитель, практически незнакомы его заокеанским (а именно оттуда прибывают к нам устройства, призванные бороться с недостатками энергоснабжения) коллегам. К ним относятся высокая нестабильность напряжения, высоковольтные импульсы, связанные с неправильным подключением мощных индукционных нагрузок, безграмотная разводка сети по зданию и недостаточное или вовсе отсутствующее заземление. И именно местные условия заставляют любую деятельность по построению распределенных вычислительных архитектур начинать именно "от печки" - с приведения в порядок сети первичного электропитания.
Вторая причина, определяющая сегодняшнее положение в области электропитания - то, что американские ИБП (источники бесперебойного питания) ориентированы, естественно, на американские условия эксплуатации, поэтому многие особенности, присущие отечественным силовым сетям, отрабатывают неадекватно. Известно достаточно историй о том, как ИБП пропускали высоковольтные импульсы через себя, сами оставаясь целыми, но с фатальными последствиями для питаемой аппаратуры. Утверждается, что подобное происходило и с отказоустойчивыми компьютерами непрерывного действия одной из самых уважаемых компаний. Недостаток этот, как правило, присущ резервным источникам питания (о них, как и обо всех прочих - речь пойдет далее). Как и следует из названия, источники бесперебойного питания ориентированы на восполнение отсутствующего питания, а не на решение проблемы нестабильности внешнего напряжения. Даже при высокой чувствительности устройства управления ИБП, нестабильность внешней сети никак не компенсируется. Кроме того, не следует забывать, что и сами ИБП подвержены деструктивным внешним факторам. Трудно предположить, как отреагирует зарядное устройство ИБП на импульс входного напряжения в несколько киловольт. А если выйдет из строя зарядное устройство ИБП непрерывного действия - о каком уж непрерывном питании может идти речь.
Питание и сети
Следующий аспект, хотя и не имеет прямого отношения к электропитанию, но самым тесным образом с ним связанная. Это локальные сети. Если такая сеть достаточно велика и разветвлена, располагается в нескольких комнатах или даже занимает несколько этажей, то в такой сети, непременно встанет проблема паразитных токов и потенциалов в "земле". Нередко разные этажи или разные крылья зданий запитываются от разных силовых кабелей или разных фаз одного кабеля. Если заземление выполнено по всем технологическим нормам, все приборы исправны, а в каждой комнате отсутствует питание от двух различных источников, а аппаратура в одной комнате никак не соединяется с аппаратурой в другой - эта проблема не встает. В реальной же жизни все происходит совсем не так.
Заземление, которое по принятым СССР нормам техники безопасности должно было выполняться медными многожильными проводами сечением не менее 8 (!) мм2 для каждого устройства и быть единым в рамках всей совокупности устройств, которые могут взаимодействовать (в предельном случае всего здания), либо игнорируется вовсе, либо выполняется чисто формально - как-нибудь. Довольно распространенным способом является соединение розеточной "земли" (речь идет о самой распространенной сегодня розетке, применяемой для подключения компьютерной и офисной техники - евророзетке - в которой кроме двух силовых контактов обязательно имеется разъем для "земли") с "нулевым" проводом силового кабеля. В случае использования нескольких силовых кабелей, такое соединение может привести к тому, что на корпусах соседних или соединенных сетью компьютеров, может возникнуть разность потенциалов в несколько сотен вольт, которые и обрушиваются на гальваническую развязку сетевых соединений или на того, кто удосужится ухватиться за оба компьютера сразу. Если используется тонкий Ethernet, эта разность потенциалов может вызывать значительные токи в оплетке и нарушения кабельной системы и компьютеров.
Аналогичная ситуация складывается при использовании разных фаз одного кабеля. По определению разность напряжений между фазами составляет 380 вольт - достаточно убедительно. Если предположить некоторые нештатные ситуации, эта разность потенциалов вполне может оказаться на корпусах компьютеров, подключенных к разным фазам. Даже если нарушения в изоляции не происходит, но заземлением пренебрегли - емкостная связь может сделать свое черное дело. Ток при этом будет невелик, но вполне достаточен для индуцирования сбоев или нарушения работы отдельных компонентов.
О связях и развязке
Поясним суть некоторых явлений. В электротехнике существует понятие гальванической связи развязки. Гальваническая связь - это когда имеется непосредственное соединение проводящей средой, а развязка - это, соответственно, такая организация взаимодействия, при которой гальваническая связь отсутствует. Хорошими примерами гальванической развязки могут служить трансформатор и оптический кабель. В трансформаторе первичная обмотка полностью изолирована от вторичной, поэтому между ними не может возникнуть никаких токов (хотя разность потенциалов может оказаться значительной). Таким образом, даже если вторичная обмотка гальванически связана с корпусом и, соответственно, с землей, никаких паразитных токов, опасных для оборудования и персонала, не может возникнуть.
Оптический кабель вовсе не предполагает использования проводников, со всеми вытекающими прелестями.
Несколько слов о способах построения компьютерных линий связи в контексте общего электротехнического окружения. Каждый компьютер имеет несколько точек связи с внешним миром. Во-первых, это электропитание. Во-вторых, заземление. В-третьих, коммуникации.
Если линии связи имеют надежную гальваническую развязку - тут проблем, связанных с организацией питания, не возникает. Если же гальваническая связь присутствует (как в случае с тонким коаксиалом) - возможны самые разнообразные эффекты. Кроме этих случаев бывают ситуации с недостаточно надежной гальванической развязкой, которая при определенных условиях может быть разрушена. Установившееся же при этом гальваническая связь, как уже упоминалось, может вызвать непредсказуемые последствия. Поэтому при построении сложных сетевых топологий желательно специальное внимание уделить вопросам построения гальванических развязок и высоконадежной общей "земли", тем большего сечения, чем удаленнее между собой элементы сети и ни в коем случае не поддаваться уверениям подвыпившего электрика, что "земля, она и в Африке земля" в тот момент, когда "земляной" провод сажается на "0" силового кабеля, который, конечно, тоже с "землей" соединен, но где-то там...
Компьютер и его пищеварение
Теперь несколько слов об электропитании компьютеров.
Каждый компьютер снабжен устройством, называемым источник питания. Цель его - преобразовать первичное (из розетки) напряжение в высокостабилизированное внутреннее низкое напряжение - как правило +/- 12В и +/- 5B. Конструкция предусматривает развязку между вторичной цепью питания компьютера и входной.
Блок питания, как правило, представляет собой импульсный источник питания. Традиционное развязывающее устройство - трансформатор - в нем присутствует, но в виде высокочастотного тороидального трансформатора. Такое решение позволяет снизить массу и повысить надежность устройства в условиях нестабильного первичного напряжения. В основном у таких источников питания называют единственный существенный недостаток - наличие большого числа активных элементов, непосредственно соединенных с первичной сетью.
Высокое первичное переменное напряжение преобразуется в постоянное, которое, в свою очередь, используется для питания генератора высокочастотных импульсов. Высоковольтные высокочастотные импульсы подаются на высокочастотный трансформатор, со вторичных обмоток которого снимаются необходимые вторичные напряжения. Поскольку объем трансформатора прямо связан с частотой, использование высокой (по сравнению с сетевой) частоты позволяет значительно снизить габариты и массу блоков питания. Управление же длительностью импульсов генератора позволяет получить стабилизированное вторичное напряжение, чего достаточно трудно добиться при помощи 50-герцовых трансформаторов.
Многие устройства такого рода, особенно последнего поколения, рассчитаны на работу во всем диапазоне внешних питающих напряжений (от 110 В до 240 В). Именно эта особенность делает ненужным наличие стабилизатора в первичных сетях питания (в случае достаточной стабильности первичной сети). Если при номинальном напряжении отечественной сети такие блоки питания прекрасно работают при пониженных напряжениях, то повышенное, особенно длительно, может быть фатальным для первичных элементов блока питания. Импульсные фильтры, способные подавить достаточно высоковольтные броски напряжения абсолютно бессильны против продолжительно высоких потенциалов. Есть и еще один недостаток, присущий всем импульсным устройствам - высокочастотный шум. При недостаточной фильтрации высокочастотные токи посредством емкостных связей легко проникают в первичную сеть питания и в "земляные" соединения, вызывая неприятные помехи и ошибки при передаче данных.
Как мы питаемся
Теперь несколько слов об устройствах, широко применяемых для питания компьютеров.
Самые простые - это удлинители с предохранителем и фильтром. Целесообразность применения таких устройств довольно сомнительна. Во-первых, фильтр явно недостаточен для подавления высоковольтных импульсов низких (около 50 Гц) частот из-за своих идуктивно-емкостных характеристик, он лишь воздействует на самые высокочастотные гармоники питающего напряжения (например, на помехи от импульсных источников питания), а уж стабилизирующего воздействия на питающую сеть он и подавно никакого не оказывает. Во-вторых, наличие в нем предохранителя отнюдь не способствует сохранности данных подключенных компьютеров. Легко представить ситуацию, когда при включении большого монитора (сопровождающегося броском тока в устройстве размагничивания кинескопа порядка 10 ампер) вылетает предохранитель. Все компьютеры в локальной сети при этом выходят из строя. Выход есть - поставить предохранитель, срабатывающий только при коротком замыкании, но с этой проблемой справляется и входной рубильник. Еще хуже, когда предохранитель автоматический - бывают случаи, когда такой предохранитель в ответ на повышенную нагрузку отключается, после выключения нагрузки включается снова и так несколько раз подряд.
Теперь о резервных источниках бесперебойного питания. Это вторая ступень в иерархии средств обеспечения питания компьютеров. Как уже упоминалось, они не призваны выполнять роль стабилизатора. Они компенсируют перебои питания - после падения его ниже установленной границы. Если напряжение повышенное - на здоровье, не его это дело. Устройство резервного источника весьма простое. В условиях достаточного входного напряжения оно, пройдя через импульсный фильтр, подается на выход. В это время зарядное устройство заряжает аккумуляторы. В случае падения входного напряжения ниже известной границы напряжение с заряженного аккумулятора используется для питания устройства под названием инвертор - мощного низкочастотного генератора (50 Гц). Специальный переключатель переключает потребителя с внешнего источника на внутренний. Для запуска инвертора и переключения, естественно, требуется некоторое время. Источники питания непрерывного действия практически избавлены от недостатков, присущих первым двум типам устройств. Это определяется в большой степени их устройством. Первичное напряжение на нагрузку не подается вовсе. Оно используется только для зарядки аккумуляторов. Нагрузка же всегда подключена к выходу инвертора. При пропадании первичного напряжения просто прекращается зарядка аккумулятора, что, при кратковременных отключениях, для нагрузки незаметно вовсе. Так как аккумулятор является хорошим стабилизатором, то и вторичное напряжение достаточно стабильно. Недостаток - повышенные требования к мощности и надежности зарядного устройства - оно постоянно держит на себе всю нагрузку.
Компенсационные ИБП занимают промежуточное положение. С одной стороны питание нагрузки осуществляется первичным напряжением, с другой стороны ИБП постоянно отслеживает его уровень, компенсируя изменения.
Существует масса промежуточных и смешанных вариантов; постоянно появляются новые. Все они в той или иной степени отягощены и достоинствами и недостатками. Единственная общая характеристика, имеющая отношение ко всем им - выходная мощность. Предостережем от ошибки. Многие производители нормируют не выходную мощность, а произведение В*А. Это произведение действительно равно мощности (мощность = ток*напряжение) при работе с резистивными нагрузками - электрочайником, например. При использовании смешанной индуктивно-емкостной нагрузки, характерной для большинства современных устройств, в том числе и компьютеров, в уравнение добавляется косинус сдвига фаз тока и напряжения. В отечественной электротехнике косинус этот зовется "косинус фи", а в импортной - "фактор мощности". В любом случае, значение этой величины зачастую существенно меньше единицы (от 0.5 до 0.8) и его игнорирование может привести к перегрузке устройства. Поэтому ориентироваться стоит по обоим параметрам.
Кроме перечисленных выше способов урегулирования питания существует ныне почти забытое, а в недавнем прошлом весьма распространенное устройство - феррорезонансный стабилизатор (его использовали достаточно широко для ламповых цветных телевизоров). Большие габариты и масса не позволяют использовать их промышленно, но для домашнего применения при высокой нестабильности сети это устройство может оказаться весьма полезным и экономически целесообразным.
Роль формы в вопросах питания
В заключение небольшое рассуждение о форме питающего напряжения. В первичной сети форма тока - синусоида. В силу определенных обстоятельств, из соображений минимума потерь, а, соответственно, более легких режимов элементов инвертора, оптимальной формой напряжения на выходе ИБП является прямоугольная. Часто у самых дешевых бесперебойников на выходе именно тот самый прямоугольник. У более дорогих моделей используется ступенчатая аппроксимация синусоиды. На синусоиду такая форма тоже не слишком похожа, но обладает весьма существенным параметром - предельным пиковым напряжением (амплитудой) - равным пиковому значению напряжения синусоидального тока. Этот параметр имеет значение при любом типе нагрузки, кроме чисто резистивной (чайник, лампочка...). Когда нагрузка чисто резистивная, рассматривается только так называемое действующее значение напряжения, прямо пропорциональное интегралу напряжения по времени за полпериода. Отношение соответствующих амплитуд прямоугольного и синусоидального тока равно квадрантному корню из 2 (или приблизительно 1.41). Очевидно, что амплитуду прямоугольного тока можно подобрать таким образом, чтобы его действующее значение было равно действующему значению синусоидального напряжения. Проблема в том, что в блоке питания большинства современных устройств используется именно амплитудное значение напряжения. Работа источника питания от прямоугольного напряжения будет эквивалентна работе при пониженном почти на 30 процентов напряжении - некоторые устройства работать просто не будут, остальные будут работать в критических режимах, чреватых разнообразными осложнениями.
У наиболее развитых источников бесперебойного питания форма выходного напряжения - синусоидальная, что достигается эффективной фильтрацией высших гармоник, более тяжелыми режимами работы элементов и большими потерями.
Заключение
На отечественном рынке активно действуют представители нескольких крупнейших компаний, предлагающих замечательные устройства, позволяющие вам обеспечить правильное питание для своих сетей, а значит, и фундамент для сохранности своей информации. Советуем вам не экономить деньги на этих устройствах, не забывать о важности правильнои организации энергосети, да и пользе тех нехитрых сведений о природе электричества, которые всем известны еще со школы.
Михаил Борисов (mike@osp.ru).
