Статьи

Чистое питание

Мало кто из обычных граждан знает, что напряжение в домашних электросетях, питающих всю нашу бытовую технику, честно говоря, зачастую не дотягивает до принятого в стране стандарта в 220 В. Как же понять, каковы и насколько существенны эти отклонения, и почему они имеют место быть? Неплохо было также и вооружиться полезной информацией, какого вреда можно ожидать от сетевых скачков напряжения для домашней техники?

 

В первую очередь, постоянные ежедневные перепады напряжения в электросетях, напрямую взаимосвязаны со временем суток. Так называемые суточные колебания в сети, происходят из-за неравномерного использования потребителями электроэнергии в течение суток. Пик нагрузок приходится на утренние и вечерние часы, середина дня в рабочие дни и ночные часы, для электросетей являются периодом относительного спокойствия, без неожиданных подъемов и резких спадов. Только в зимнее время, из-за использования бытовых нагревательных приборов, ситуации с напряжением в сети, могут заставлять энергетиков судорожно прищуриваться, при взгляде на рабочие мониторы. В другое время года, ночью в сети наблюдается стабильно-высокое напряжение, нагрузки же минимальны. На перепады сетевого напряжения, сильное влияние оказывают работающие в здании электрооборудование общего пользования и лифтовые кабины, первые в этом списке.

 

Одним из самых ощутимых для пользователей отклонений в электросистеме, является полное прекращение подачи электроэнергии в сети. Если в этот момент человек жарил на электроплите яичницу, то ничего страшного, худо-бедно, но он все же позавтракает. А если он работал на компьютере, записывая музыку на диск, или скидывал объемную видеозапись к себе на винчестер? Но, даже без полного прекращения подачи электроэнергии, проблем из-за перебоев с сетью, иногда возникает предостаточно. Электроаппаратура с встроенным обычным трансформатором, из-за повышенного напряжения в сети постоянно перегревается, что может привести и к ее поломке, а пониженное не в состоянии обеспечить технику достаточным питанием для ее работы с максимальным КПД. По поводу большинства импортных усилителей и ресиверов хочется сказать, что производитель ориентировал их на напряжение, подаваемое в европейских сетях, отличающихся по мощности от того, к которому привыкли мы. Во многих странах ЕС, нормальное напряжение сети – 230 В, в Великобритании – 240 В. Получается, что даже при условии, что электросеть на территории стран бывшего СССР дотягивает до принятого у нас стандарта в 220 В, она не в состоянии обеспечить завезенную к нам импортную технику полноценным питанием. По-минимуму, недобор будет процентов десять, а то и больше. Аппаратура с импульсными источниками питания (DVD, телевизоры, персоналки) имеет стабильное внутреннее напряжение, в этом достоинство их схемы. Но, при падении напряжения в сети, у них возрастает потребляемая мощность, что приводит к нагреву импульсного блока питания, что тоже не есть хорошо.

 

Идеальная графическая картинка отечественного сетевого напряжения – синусоида, с частотой в 50 Гц. А реальная? Проведя небольшой эксперимент с осциллографом, подсоединив его к понижающей обмотке трансформатора, получили бы на мониторе изображение далеко не идеальной синусоиды. Причина заключается в том, что большинство бытовой техники потребляет энергию не постоянно, а периодически, изменяя частотные характеристики тока в сети. Потребляемая схемой энергия, собирается в конденсаторе, отвечающего за фильтрацию напряжения. В зависимости от количества одновременного присутствия потребителей в сети, меняется сила тока, что отражается на работе электрической схемы. Заряжаясь, конденсаторы фильтров сглаживает синусоиду колебаний частоты. При уменьшении потребителей в сети, синусоида вновь меняет свою частоту на первичной обмотке трансформатора, что сказывается на напряжении вторичной обмотке трансформатора, происходящее вызвано недостаточностью мощностью самого трансформатора.

 

Естественно, потребляемая мощность одной бытовой холодильной установки или электроплиты, пусть и работающей, на данный момент в полную силу, в одной квартире, на общее состояние городской электросети, существенного влияния не окажет. Но, сколько квартир в доме? А в городе? Объединенные единичные потребители электроэнергии, совместно с промышленными предприятиями и городским транспортом, использующим электроэнергию для движения, являющимися главными потребителями электроэнергии в особо крупных размерах и формируют картину перепадов напряжения в системе электросети.

 

Но помехи в сети могут проявляться и по другим причинам. Можно провести небольшой эксперимент, для которого понадобятся обычный мобильный телефон и обычный радиоприемник. На вмонтированную антенну, едва заметную невооруженным глазом, передается радиосигнал, хорошо различаемый, после предварительной обработки, человеческим ухом. Если представить эту антенну как пучок длинных сетевых проводов, получим более явный сигнал. Кого-то не устроит и такой размер, но, не всегда конечное качество, напрямую зависит от размеров источника.

 

Какое же влияние на нашу жизнь, оказывают помехи, возникающие время от времени в первичной сети? Частоты звукового диапазона, при попадании в устройство, на которое возложены усилительные функции, нарушают приемлемое для уха звучание. Хотя, не так уж и редко, изменения в фоновой сетевой частоте – производная работы некачественного источника питания технического устройства. Несмотря на то, что высокие частоты мало различимы для слухового аппарат человека, при объединении их с помехами, возникающими от неисправностей самого аппарата, происходит их переход в другой, ощущаемый человеком диапазон. Посторонние звуки не только становятся слышимыми. Они приводят к значительным искажениям. Это явление хорошо прослеживается с помощью телевизора и дрели соседа. Как только он начинает сверлить в своей квартире что-либо, пусть даже он проживает в соседнем подъезде, так сразу же, просмотр передач превращается в жесткое испытание для нервной системы смотрящего. Таким образом, становится ясно, что сетевые помехи, как ни крути – зло, с которым обязательно надо бороться. Но борьба может осуществляться лишь на временном участке, пока помеха не попала в аппаратуру, то есть, необходимо установить специальный фильтр.

 

Некоторые люди уверенны, что для избавления от сетевых помех, присутствие в устройстве сетевого трансформатора и традиционного выпрямителя, вполне достаточно. В принципе, высокие частоты не должны суметь преодолеть сетевой трансформатор, поскольку его индуктивность велика, а перепады напряжения в сети, ему особо не страшны, поскольку они приводятся в порядок фильтром питания. Гораздо важнее симметрия полуволн со знаком «+» и «-» и амплитуды, для предотвращения появления ощущаемого сетевого фона. Но, за счет наличия в трансформаторах емкостей с определенными физическими свойствами, существуют несколько видов волн, способных обогнуть защитный трансформаторный барьер, используя именно эти емкости. Слабо справляются с фильтрацией сетевых помех и электролитические конденсаторы, вмонтированные в фильтры питания. В общем, стоит помехе «захотеть», она найдет способ проникнуть внутрь технического устройства, конечно при условии, что на ее пути не встанет непреодолимый барьер, с заданной конкретной задачей: пропускать лишь сетевую частоту, а остальным устраивать от ворот поворот. Задумка хороша, но теория и практика, как показывает история - вещи разные. Простенький, пассивный, фильтр, не в состоянии прекратить посягательства всех посторонних помех. Кроме этого, существенным недостатком фильтров пассивного плана, является их большой размер. При этом рассчитывать на полную защиту аппарата от всех помех, все равно не приходится, поэтому необходимы дополнительные действия, направленные на улучшение ситуации. Можно конечно, предохранить аппарат с помощью защитной цепи, могущей помочь защититься от перегрузок, замыканий и тому подобных «приятностей», а можно использовать и другие методы.

 

Простой и доступный вариант, не требующий мороки – установка сетевого фильтра, занимающегося удалением помех из напряжения питания и корректирующих его периодические всплески. Работа сетевого фильтра может усиливаться за счет устройства, занимающегося автоматическим отключением техники, в ситуациях, когда в сети наблюдается явный скачок, превышающий допустимые границы перепадов. Наиболее используемый фильтр – стабилизатор постоянного напряжения. В слабых, маломощных технических устройствах, такой стабилизатор – постоянное дополнение. В мощных усилителях им нет места, поскольку объемы их приблизительно одинаковы, а количество выделяемого ними тепла, слишком уж велико. К тому же производители стремятся выпускать аппаратуру, со стабилизаторами, встроенными в тело аппарата, а избыток тепла может сильно влиять на технические показатели техники.

 

Больший процент техники рассчитан на наличие в сети напряжения в 220 В. Зачастую заводчики используют в них пассивные варианты улучшения питания. Компания «EAD» занимается производством сетевых фильтров, маркируемых «ACMaster». В них подавление помех осуществляется с помощью подключения трансформаторов.

 

Компания «Accuphase» выпускает знаменитые блоки clean power supply PS-500V. Поступающее в них напряжение проходит через фильтр, который является преградой для высокочастотных помех. Но, схема получаемого сигнала еще не имеет четко выраженной синусоидальной формы. Дальнейший путь сигнала – узкополосный фильтр, формирующий частоту сети. Данная обработка сигнал приводит его в соответствии с уже хорошо знакомой, не искривленной синусоидой. Схема – хороший синхронизатор, приводящий сигналы с нарушениями частоты в адаптированные для нормальной работы аппарата потоки. Ее использование особенно показано для сельской местности, где в домах, зачастую, напряжение в сети может падать или, наоборот, подниматься на процентов десять, а иногда и более, от постоянного напряжения, характерного для данного региона, которое редко достигает общепринятых у нас 220 В.

 

Еще один способ улучшить состояние сетевого питания, использовать инвертор. В его обязанности входит автономное преобразование постоянного сетевого напряжения, в необходимое большинству техники напряжение переменное.

 

Задача генератора – создание напряжения, максимально приближенного к синусоиде. Наиболее популярными на сегодняшний день являются кварцевые генераторы, работающие с цифровым сигналом, который впоследствии преобразовывается в сетевую частоту с помощью целой системы цифро-аналоговых преобразователей. Этот метод сложнее, но зато его выходные параметры точны и достаточно стабильны. Да и расценки на кварцевые генераторы не намного выше, чем на генераторы аналоговые. Один из немногих недостатков такого устройства - выходной сигнал – слаб по мощности, но с этой проблемой отлично справляется усилитель мощности.

 

Для получения выходного напряжения, равного стандартному, общезаявленному, понадобится и трансформатор, на долю которого приходится гальваническая развязка выходных устройств от сети. Цепь на выходе, оборудована большим количеством датчиков, с помощью которых схема управления получает информацию о получаемом выходном напряжении, об исходящем токе и прочее. В круг ее обязанностей входит совершение необходимых стабилизационных поправок, команды об отключении системы при возникновении угрозы перегрузки или замыкания.

 

Источником постоянного напряжения может стать и аккумулятор, который в состоянии обеспечить бесперебойное питание, хорошо известное и благословляемое компьютерными пользователями. При спокойной, стабильной ситуации, аккумулятор питается от сети, при этом напряжение обрабатывается еще и трансформатором, чтобы имеющееся напряжение понизить и выровнять до необходимых параметров. В случае понижения напряжения в сети, работа инвертора осуществляется на базе аккумулятора. Продолжительность сеанса автономной работы, зависит от мощности аккумулятора и равно в среднем десяти минутам. Этого вполне достаточно, чтобы пользователь сумел сохранить всю важную информацию и отключил в правильной последовательности компьютер. При частых сбоях в работе общей электросети, в особенности при затяжных, массовых отключениях, целесообразно пользоваться инверторами бесперебойного питания, способных работать в автономном режиме более суток. Загвоздка заключается лишь в емкости аккумулирующего устройства.

 

Источником получения электроэнергии может быть не лишь привычная сеть, но и генераторы, чья работа основана на использовании дизельного топлива или базируется на преобразовании энергии ветра. Все большую популярность в массах приобретают и солнечные аккумуляторы, заряжающиеся от солнечных батарей, способные с помощью инверторов, преобразовывать энергию солнца в «понятную» электроприборам электроэнергию. Какова же мощность солнечных батарей? По подсчетам ученых, 1 квадратный метр солнечной батареи, размещенный для чистоты эксперимента за пределами воздушного пространства Земли, в состоянии получить 1370 Вт. Но, кто, же батареи будет вывозить на околоземную орбиту в реальной жизни, подобная роскошь тут же сделала бы использование солнечных батарей не альтернативным методом получения дешевой электроэнергии, а возможностью быстро разориться экзотическим способом. Поэтому, после всех потерь солнечной энергии, приходящихся на плотность и непрозрачность атмосферы, не совершенность фотоприемника, конечная цифра полученной энергии, получается в половину, а то и в треть меньше цифры, полученной в, практически, идеальных условиях. Но, даже и довольно небольшие показатели КПД солнечных батарей, не останавливают растущий на них потребительский спрос, поскольку ситуация с энергоносителями в мире такова, что альтернативным источникам получения электроэнергии, уделяется все больше внимания. У автономного электроснабжения обязанности расширяются с каждым годом, на него переводятся освещение, подогрев и подача воды и многое, многое другое.

 

Переменное напряжение сети

 

На типичных розетках для домашней электросети, в идеале, должно присутствовать переменное напряжение с общепринятым стандартов в 220 В, при частоте в 50 Гц. Реалии же сегодняшнего дня таковы, что такое состояние наблюдается в сети крайне редко. Имеющиеся помехи в виде импульсных и сверхзвуковых частот, последствия работы тиристорно-симисторной аппаратуры, приводят к тому, что скачки в сети могут подпрыгивать до тысячи В.

 

Пассивная фильтрация

 

Практически вся бытовая электрическая аппаратура, вышедшая с конвейеров легальных производителей, оборудована специальными фильтрами, выполняющих роль защитников от внутрисетевых помех. Но и они не в состоянии справиться со всем атакующим их потоком сетевых помех, к тому же, главная их цель, защитить сеть от помех, создаваемых аппаратурой в которой они установлены. Аппаратура, предназначенная для воспроизводства звука, должна быть оборудованной сетевыми фильтрами, занимающимися стабилизацией напряжения и тока при импульсных нагрузках. Вследствие этого, фильтр для входящего напряжения имеет тоже устройство, что и описанные выше, пассивные фильтры, работающие с НЧ-диапазоном. Для погашения помех на достаточном уровне, LC-фильтра, нас