Компьютер как источник помех

в разделе "Статьи" на сайте

www.electrosad.ru
 

Статья была помещена на сайт в 2006 году, но последние неграмотные публикации показали что ее надо доработать, расширив раздел посвященный распространению помех по линиям передачи и борьбе с ними. Это позволит более грамотно применять защиту от помех и избежать терминов "магнитный изолятор", "активный импеданс ферритового элемента". Пришлось даже поместить дополнительную статью "Виды помех и способы борьбы с ними"

 
 

Существует два основных вида помех генерируемых компьютером.

1. Помехи, генерируемые скоростными дискретными устройствами - системной платы. По характеру, высокочастотные помехи с частотами кратными тактовым частотам перечисленных ниже узлов и их составных частей (ядро, кеш, ...), а спектральное распределение определяется еще и алгоритмами работы ПО и процессора.

Эти узлы:

  • центральный процессор,
  • видеопроцессор,
  • микросхемы северного моста (главная доля) и южного моста НМС,
  • модули памяти.
2. Помехи генерируемые источниками питания компьютера и определяемые как:

а. Широкополосные - коммутационные, их генерируют:

  • БП компьютера,
  • регулируемые источники питания процессоров и памяти (инверторы)

б. Низкочастотные:

  • БП из-за нелинейности нагрузки. 

ВЧ помехи генерируемые ПК

Что компьютер является источником помех известно всем и давно. Еще в 1994 году, http://repairfaq.ece.drexel.edu/REPAIR/F_CompRFI.html , автор «Daniel 9V1ZV» обсуждал проблемы создаваемые PC используемых в составе радиостанций, для управления и цифровой связи. Тогда при использовании процессоров 286, 386, 486 было выявлено, они создают помехи для высокочувствительной аппаратуры связи, забивая достаточно широкие участки (полосы частот) некоторых диапазонов. Он, рассматривал в качестве источников помех кварцевые генераторы узлов PC, поскольку центральные частоты пораженных участков кратны им.

Здесь, на этом сайте *****  рассказано о механизме генерации помех первой группы источников, там же ***** описан способ их эффективного подавления непосредственно на источнике.

О распространении помехи по линиям связи, синфазной помехе, их влиянии на полезный сигнал и более подробно о методах борьбы с помехами распространяющимися по линиям связи (в том числе кабельным) рассказано в статье "Виды помех в линиях передачи информации и способы борьбы с ними".

А здесь скажу только несколько слов о способах борьбы с помехами.

Существует еще один способ подавления исходящих и входящих ВЧ помех в линиях передачи информации, о котором хотелось бы напомнить и настоятельно порекомендовать. Это ферритовые трубки, они защищают внешние линии подключения к компьютеру  от высокочастотных помех. Они эффективно подавляют ВЧ помехи, распространяющиеся по поверхности коаксиальных линий (поверхностная волна) и синфазные помехи в двухпроводных линиях, подчеркиваю, как от исходящих, так и от внешних помех.

Для этого применяется два вида ферритовых материалов трубок: резистивного и индуктивного типа.

Принцип действия ферритовых трубок (колец) индуктивного типа основан на  создание с помощью ферритовой трубки заградительной индуктивности ослабляющей поверхностную или синфазную волну. Трубка на линии связи эквивалентны нескольким виткам этой линии на ферритовом кольце, только при этом не укорачивается кабель. В рабочей полосе частот феррита применяемого в Ф. трубке - это чистая индуктивность, а на более высоких частотах энергия помехи поглощается материалом трубки и переходит в тепло.

Принцип действия резистивных трубок (колец), имеющих в широкой полосе частот постоянный импеданс, основан на поглощении помех распространяющихся по линии материалом сердечника.

Этот способ широко известен, но применяется только специалистами по борьбе с помехами.

 

Рис.1

 

На фото, вы видите утолщения на кабелях многих внешних устройств. Сейчас выпускаются разъемные ферритовые трубки, которые имеют разные типоразмеры и могут быть установлены Вами самостоятельно на кабель, нуждающийся в защите (на фото слева).

 

Рисунок 2.

Если нет под рукой ферритовой трубки можно воспользоваться старым, проверенным способом -использовать ферритовое кольцо. Диаметр его должен быть достаточным чтобы продеть во внутреннее отверстие концевой разъем.

Достаточно 3-5 витков.

В случае показанном на рис.2, слева после установки кольца, посторонние шумы стали практически не слышны в динамиках колонок Microlab B 75.

 

В идеальном случае, все кабели подключенные к системному блоку ПК, должны быть защищены ими.

 

Широкополосные помехи блока питания ПК

БП компьютера тоже является источником помех, как для его нагрузок, так и для питающей его сети. Источником помех является инвертор блока питания, он создает помехи в диапазоне частот от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Влияние помех минимизируется до допустимых значений встроенными входными и выходными фильтрами. Иногда в "no name" блоки питания не имеют таких фильтров или минимизируют их с помощью блокировочных конденсаторов включенных параллельно сетевому кабелю, поэтому их применение не рекомендуется. Нормальные LC фильтры изображены на рис. 3, справа.

Поскольку данный вид помехи полностью устраняется заменой БП на нормальный, данный вид помех здесь не рассматриваем.

 

НЧ помехи создаваемые блоком питания компьютера в силовой сети

Гораздо опаснее гармонические составляющие потребляемого тока в сети (линии питания) возникающие из-за нелинейности нагрузки. Такая нелинейность имеет место из-за характера внутреннего сопротивления блока питания. Известно, что на входе БП стоят оксидные накопительные конденсаторы на которых формируется напряжение питающее импульсный инвертор. Эти конденсаторы заряжаются импульсами тока, только в момент превышения напряжения питающей сети остаточного напряжения на конденсаторе. Поэтому форма потребляемого тока не синусоидальная, а скорее это импульсы тока с частотой сети. См. на рис. 3 слева.

Так же известно, что симметричные (это мостовые и дифференциальные) схемы имеют минимум гармонических составляющих на четных гармониках, соответственно максимум на нечетных гармониках, поэтому суммарный потребляемый ток будет описан выражением

 

Iс = (I12 + I32 + I52 + …)1/2 ,

 

 здесь I1, I3, I5 - действующие значения 1,3,5 гармоник тока ( влияние гармоник I2, I4 – пренебрежимо мало).

Более 90% потребляемой энергии сосредоточено в области 1 - 5 гармоник. Это частоты 50, 150, 250 Гц.. Как помехи это не ахти, какие частоты, но тем они и страшны. Чем ближе к основной частоте помеха, тем ее сложнее подавить. Эти помехи обогащают питающую сеть повышенными гармониками, что приводит к нагреву элементов рассчитанных на работу в сети 50 Гц, в большинстве своем это устройства содержащие обмотки на сердечниках из электротехнической стали. Например трансформаторы устройств подключенных на линии с помехами.

В некачественных сетях с повышенным сопротивлением Z= XL+R ( протяженные сельские и городские сети частного сектора) уровень гармоник резко возрастает.

 

Рис.3

 

На рисунках слева изображены выпрямленное диодным мостом Br1 напряжение сети - зеленым цветом и напряжение на накопительных конденсаторах - красным цветом. Синим цветом показаны импульсы тока отбираемого от сети блоком питания компьютера. Эти импульсы тока сфазированы (синхронны) с напряжением сети. На современных блоках питания амплитуда импульсов тока превышает 10 А.

Ситуация особенно усугубляется, когда на одной линии питания работают десятки компьютеров, токи в питающей линии практически суммируются, по причине их синхронности.

 

В статье О.Григорьева "Компьютер в нагрузку" , Компьютера №472 http://www.computerra/ru/offline/2002/22266 (скачать или здесь)описаны процессы в трехфазной питающей сети. Они отличаются гармоническими составляющими, это

 

Iс = (I32 + I92 + I152 + …)1/2

 

здесь I3, I9, I15 - действующие значения 3,9,15 гармоник тока. Кроме того, трехфазные сети питания в России имеют схему «Звезда». Они имеют 4х проводную схему, где три фидера, силовые сечение которых рассчитано на проектную мощность нагрузки, а один меньшего сечения «Ноль», через него в нормальных условиях протекает ток менее тока любой из фаз, поэтому пока его сечение всегда меньше.

Ток через нулевой провод может возрастать только при неравномерной загрузке фаз (перекос не более 10%) и наличии гармонических составляющих в токе нагрузки. Первое оговаривается проектными нормами, хотя сейчас в нашей стихии не всегда выполняется., а второе подробно описано в статье, о которой здесь говориться.

Все это имеет плачевные последствия, повышенные токи через нулевой провод сети приводит к его нагреву, разрушению изоляции, срабатыванию предохранителей. А гармоники приводят к увеличению тока в нулевом проводе более чем в 1,5 раза по сравнению с током в фазе. Они так же увеличивают потери в трансформаторах в устройствах подключенных к линии и на подстанциях, ухудшению условий работы конденсаторов компенсации реактивной мощности нагрузки и возможному возникновению резонансных явлений с индуктивностью сети на частотах гармоник. 
 

Результат о котором не пишут

Главное к чему приводят повышенные токи в нулевом проводе, это возникновение на его сопротивлении Z, повышенного напряжения. Эти напряжения различны для различных объектов на территории, как «сидящих» на одном фидере, так и на различных фидерах. Мне известны случаи, когда разность напряжений в точках подключения нулевого провода на соседних объектах (зданиях) превышала 50 вольт.

К чему это приводит.

Для простого перекоса фаз при подключении нулевого провода к нулю объекта (защитное зануление, сейчас говорят система выравнивая напряжений) разность напряжений между соседними объектами создавало токи перетекания между объектами. Эти токи плавили кабели связи, оплетка которых заземлялась  на объектах (реальные токи достигали десятков-сотен ампер). Даже если кабели не плавятся, этот ток, протекающий по оплетке или земляной жиле кабеля, наводит на сигнальных цепях напряжение соизмеримое с образующим этот ток.

В условиях наличия гармоник в цепи нуля их токи наводят в сигнальных цепях помехи с частотой 150, 450, 750 Гц.

К таким помехам особенно чувствительны компьютерные системы телевизионного наблюдения. Это описано в статье Есть мнение, что PC-based системы имеют "засаду на земле", авторы В.Трофимов, М. Кузнецов, В. Пыжов, А. Попов.

В последнем случае обязательно применение изолирующих трансформаторов на линиях связи между объектами в каждой линии.


 

Как уйти от НЧ помех и защитить от них сети?

Выходов множество.

Например, подобно применению изолирующего трансформатора в каждой линии передачи информации, можно применить один изолирующий трансформатор в цепи питания на приемной стороне системы. Или для питания компьютеров. Применяя другие схемы включения его обмоток, можно кроме этого существенно усилить работу штатных и дополнительных фильтрующих устройств применяемых для фильтрации напряжения сети.

Как крайний выход из ситуации, может быть выполнен переход на питание групп компьютеров от сети постоянного тока с принятием мер по изоляции стороны постоянного тока от стороны переменного тока источника. Если подавить помехи  близких по частотам нечетных гармоник в силовых сетях переменного тока сложно, то подавить их в сети постоянного тока не является сложной задачей.

Особенно важно, что в отличии от сети переменного тока, где в группе компьютеров подключенных к сети отбор тока происходит синхронно всеми компьютерами и токи суммируются 1, то при питании от сети постоянного тока блоки питания компьютеров отбирают мощность из питающей сети асинхронно (случайно). В результате потребляемый ток усредняется, а его амплитуда снижается, поэтому снижаются и требования к исполнению сети постоянного тока.

Но оптимальное решение индивидуально для каждой ситуации.

 

1 Если вам ничего не говорит сказанное выше, вот простой и наглядный пример.
Блок питания системного блока компьютера мощностью 300 Вт, работающий на номинальной мощности, имеет средний ток чуть больше 1 Ампера. При этом амплитуда импульсов тока превышает 5 Ампер. Если в офисе работает 10 таких компьютеров амплитуда импульсов тока превышает 50 А, при среднем токе насколько более 10 А. Результат - автоматическая защита по току не срабатывает, но сети подвергаются  пятикратной перегрузке по току, а это перегрузка соединений, потери в сети разводки (особенно если они длинные).

 

Ссылки на статьи по данной теме на сайте:

  1. Компьютер как источник помех 
  2. Виды помех в линиях передачи информации и способы борьбы с ними ,
  3. Борьба с помехами передаваемыми по линиям передачи информации и резонансами в них
  4. Борьба с помехами, самовозбуждениями и паразитными связями в электронных схемах и резонансами в них

Опубликована на сайте
- июнь 2006 г.

Яндекс.Метрика

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через 
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.

2002-2012