Co w gniazdku piszczy - Zasilanie cz. I

Zasilanie urządzeń to zmora naszych czasów. Pomyślmy bowiem, co stałoby się, gdyby zabrakło na stałe zasilania z sieci napięcia przemiennego? Ludzkość cofnęłaby się w jednym momencie do epoki kamienia łupanego. No, może przesadziłem, bo jeszcze przez parę godzin działałyby generatory prądotwórcze i urządzenia zasilane bateryjnie, ale czas ten byłby swoistym pożegnaniem z epoką cudów elektroniki. Strach pomyśleć. A swoje rozważanie o zasilaniu rozpocząłem dlatego w tak czarnych kolorach, aby podkreślić wagę tematu. Jeżeli bowiem coś jest ważne, warto nad tym się zastanowić i choć trochę poznać.

A więc, jak już ustaliliśmy, wszelkie urządzenia elektryczne i elektroniczne wymagają zasilania. Oczywiście, spotykamy się z urządzeniami zasilanymi bateryjnie, i takie w dziedzinie audio występują, jednak równie często spotykamy się na każdym kroku z urządzeniami zasilanymi z sieci. Aby rozpocząć rozważania na temat zasilenia sieciowego musimy poznać

PODSTAWOWE WIELKOŚCI

określające zjawisko przepływania prądu. Kiedyś na swojej drodze spotkałem się z człowiekiem, który twierdził, że w gniazdku zasilania w domu „ma prąd 230 V”, i za nic nie mógł zrozumieć, gdy powtarzałem z uporem maniaka, że takiego prądu tam nie ma. No właśnie, jaka jest różnica pomiędzy napięciem a prądem, i w jakich jednostkach je wyrażamy?

NATĘŻENIE PRĄDU

Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch elektronów w przewodniku. Ruch ten odbywa się w kierunku od potencjału wyższego do niższego. Wielkością opisującą wartość prądu płynącego w przewodniku jest natężenie prądu elektrycznego. Wielkość ta jest pochodną ładunku elektrycznego, przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika, przez czas przepływu tego ładunku (I = q/t). Jednostką natężenia prądu elektrycznego jest amper (1 A).

NAPIĘCIE ELEKTRYCZNE

Napięcie elektryczne jest to różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami obwodu elektrycznego i wyrażana jest w woltach (1 V). Jak widać, mój znajomy mylił dość znacząco pojęcia, gdyż powinien powiedzieć, że w gniazdku jego domowej Wielkością opisującą wartość prądu płynącego w przewodniku jest natężenie prądu elektrycznego instalacji panuje napięcie o wartości 230 V, a nie prąd! Aby w pełni zrozumieć zjawisko przepływu prądu przez odbiorniki oraz napięcie na nich panujące, należy wspomnieć o prawie Ohma, które jest jednym z podstawowych praw opisujących zjawisko przepływającego prądu przez przewodnik.

OPÓR CZYLI REZYSTANCJA

Któż z nas przynajmniej raz, choćby na lekcji fizyki, nie spotkał się z niepozornym wzorem R = U/I? Co on oznacza? Ano to, iż rezystancja (inaczej – opór) przewodnika to stosunek napięcia panującego na jego końcach do prądu płynącego przezeń.

UKŁADY SIECIOWE

W tym miejscu, gdy już rozróżniamy podstawowe wielkości opisujące prąd elektryczny, warto wiedzieć jak zasilane są gniazdka w naszych domach, a także w obiektach, które nagłaśniamy.

W budynkach mieszkalnych oraz użyteczności publicznej spotkamy się z układem sieciowym o nazwie TN. Litery tego skrótu można przetłumaczyć jako Terra (ziemia) Neutrum, czyli jest to układ, w którym punkt neutralny źródła napięcia jest uziemiony. Występują trzy podukłady sieci TN.

Pierwszym podukładem, z którym spotkać możemy się jeszcze w starszych budynkach, jest układ typu TN-C. Jest to nic innego, jak układ sieci czteroprzewodowy, czyli trzy przewody fazowe (L1, L2, L3) oraz wspólny przewód neutralno-ochronny (PEN). Dziś, zgodnie z nowymi normami, wykonuje się tylko układy sieciowe pięcioprzewodowe TN-S, gdzie nie występuje wspólny przewód PEN, a osobne przewody neutralny (N) oraz ochronny (PE). Dla informacji – występuje jeszcze układ sieciowy TN-C-S, który charakteryzuje się tym, że w układzie TN-C wykonuje się rozdzielenie przewodu PEN na N i PE.

FAZA

Skoro wspomniałem o przewodach fazowych, trzeba wyjaśnić w czym rzecz. Przy napięciu stałym występują bieguny zasilania dodatni i ujemny. Przy rozważaniu układów zasilania napięciem przemiennym taki podział nie występuje, zamiast tego operujemy pojęciem przewodu fazowego. Jest to jeden z przewodów w gniazdku, znajdujący się pod napięciem 230 V.

Drugi z przewodów w gniazdku nazywamy neutralnym i na nim napięcie nie występuje. Dlaczego tak jest? Po prostu – w największym skrócie – przewód neutralny jest „podłączony” do potencjału ziemi i z tego powodu, stojąc na niej, nie wystąpi na nas spadek napięcia, jak np. na żarówce i, mówiąc potocznie, przewód neutralny nas nie „kopnie” (jednak nie radzę tego sprawdzać w domu). Na przewodzie fazowym występuje, w stosunku do ziemi, pełne napięcie fazowe i dotknięcie takiego przewodu spowodowałoby, że stalibyśmy się obciążeniem dla rozdzielni miejskiej i skończyłoby się to śmiercią albo trwałym kalectwem.

TRÓJFAZÓWKA

Użyłem terminu napięcie fazowe i od razu pomyślałem, że warto wspomnieć, że dziś w zasadzie prawie każde domostwo ma przyłączoną instalację zasilania trójfazowego. Aby maksymalnie prosto to wytłumaczyć przyjmijmy, że mamy do dyspozycji trzy osobne przewody fazowe i wspólny dla nich przewód neutralny. Mierząc napięcie pomiędzy poszczególnymi fazami a przewodem neutralnym okazało by się, że mamy trzy źródła zasilania 230 V.

Napięcie mierzone pomiędzy przewodem fazowym a neutralnym nazywamy napięciem fazowym i dla nas, w Polsce i całej Unii Euro pejskiej, wynosi ono 230 V. Jeżeli mierzylibyśmy napięcie pomiędzy fazami sieci trójfazowej, a więc pomiędzy poszczególnymi przewodami fazowymi, okazałoby się, o zgrozo, że panuje tam napięcie około 400 V! To napięcie nazywamy międzyfazowym i przyznam się, że jako mały chłopak miałem bliskie spotkanie z takowym. Przeżyłem dlatego, że na szczęście odciągnął mnie stojący za mną dorosły

Posiadanie sieci napięcia trójfazowego daje zwiększone możliwości zasilania. Spotkałem się z zasilaniem np. w blokach mieszkalnych, gdzie znajdowały się trzy mieszkania na klatce schodowej i poszczególne piony mieszkań zasilane były z oddzielnych faz. Jaka była złość, gdy pani Z. wybiła zabezpieczenie pierwszego pionu i – co za tym idzie – nikt w nim nie miał napięcia, a reszta bloku miała. Ale wracając do tematu – istotne jest, aby korzystając z zasilania trójfazowego, do jednej fazy podłączać sprzęt audio, zaś np. zasilanie systemu oświetleniowego powierzyć innej fazie, gdyż dzięki temu zmniejszymy wpływ zakłóceń na sprzęt audio emitowanych przez sterowniki oświetleniowe. A co jeszcze ważniejsze, jeżeli do gniazda sieci napięcia trójfazowego podłączamy rozdzielnicę elektryczną, musimy być pewni, że jej wtyk przyłączeniowy jest kompatybilny elektrycznie z gniazdem sieci.

W innym przypadku może nastąpić sytuacja, gdzie napięcie fazowe znajdzie się np. na obudowie, a transformator zasilający w sprzęcie po prostu się spali, bo zasilony został z napięcia międzyfazowego. Gniazda trójfazowe, zgodne z dzisiejszymi normami, mają gniazdo ochronne o większej średnicy i są jednoznacznie opisane, ale pomysłowość i zaradność ludzka nie zna granic. Oczywiście w większości przypadków spotykać się będziemy z zasilaniem jednofazowym, a tutaj pomyłki są rzadkością.

PROBLEMY Z NAPIĘCIEM ZASILAJĄCYM

Obsługując rożne imprezy trzeba być przygotowanym na różnorakie awarie pochodzące ze strony zasilania. Trzeba oczywiście umieć sprawdzić, czy napięcie w sieci rzeczywiście jest. W tym miejscu muszę wspomnieć, że żadne naprawy układu zasilania danego budynku czy gniazdka sieciowego są niedopuszczalne oraz niebezpieczne nie tylko z powodu możliwości porażenia prądem niedoświadczonego montera, ale również ze strony prawnej. Aby pracować przy naprawie układów sieciowych należy posiadać odpowiednie uprawnienia SEP (Stowarzyszenia Elektryków Polskich), które związane są ze zdaniem egzaminu kwalifikacyjnego przed komisją. Przy pracy w zakresie napięć niskich niezbędne są uprawnienia do 1 kV.

Oczywiście, jest gradacja takich uprawnień i można mieć zgodę na eksploatację lub na dozorowanie prac czy na wykonywanie pomiarów, z których robi się prawomocne sprawozdania, zaświadczając, że po naprawie czy wykonaniu nowej instalacji jest ona zgodna z zasadami normy i bezpieczna. Jednakowoż bierze się na siebie odpowiedzialność prawną w razie wystąpienia wypadku z tą siecią związanego. Czyli sprawa nie jest błaha i pamiętajmy, nie dajmy wciągnąć się w jakieś dzikie naprawy, bo „pan się przecież na prądzie zna”.

Aczkolwiek to, czy jest napięcie w gniazdku, czy nie, sprawdzić możemy sami. A więc gdy nie działa wzmacniacz i jego kontrolka zasilania się nie świeci (albo procesor, konsoleta czy inne urządzenie podłączone do sieci), pierwsze, co powinniśmy zrobić, to sprawdzić zasilanie. Trzeba zaopatrzyć się w sklepie z materiałami elektrycznymi w zwykły próbnik neonowy, wyglądający jak przeźroczysty śrubokręt. Za pomocą takiego próbnika sprawdzamy wszystkie styki (dziury i bolce) gniazda. W poprawnie działającym gnieździe, gdy włożymy próbnik do jednego styku gniazda neonówka powinna świecić (przewód fazowy), zaś po włożeniu do drugiego styku – nie (przewód neutralny).

A co jeżeli neonówka próbnika nie świeci przy żadnym styku, bezpieczniki są dobre, a na domiar złego neonówka świeci, gdy dotkniemy obudowy naszego wzmacniacza? Takie sytuacje często występują, gdy instalacja ma wspólny przewód neutralno-ochronny PEN, czyli w budynku jest znana nam sieć typu TN-C, i nastąpiło przepalenie przewodu neutralnego w ścianie. Po prostu w takiej sytuacji bolec ochronny gniazda przyłącza się do przewodu PEN i jak nastąpi jego przerwanie, napięcie przez zwarty w gnieździe styk ochronny wystawione jest na obudowie. Gorsza sytuacja, gdy przewód przepali się i odetnie grupę gniazd, wtedy na bolcach całej odciętej grupy będzie występować napięcie.

Może zdarzyć się, że załączony sprzęt miga kontrolkami zasilania bądź wyświetlaczami, wybija zabezpieczenia lub dźwięk jest „nie teges”, np. przesterowany, choć wzmacniacz bynajmniej nie jest wysterowany „na maksa”. W takim przypadku niechybnie spotykamy się z sytuacją, gdy nie ma w gniazdach dostatecznej wartości napięcia zasilania i zamiast 230 V mamy np. 190. Powodem może być przeciążenie sieci, a co za tym idzie „zawatowany” bezpiecznik.

Może to być również sygnałem złego połączenia w instalacji, co w późniejszym czasie może grozić nawet pożarem instalacji, a następnie całego budynku. Takie za niskie napięcie możemy zmierzyć, używając najprostszego multimetru cyfrowego, nawet Made in PRC. Pamiętać należy o tym, że zawsze napięcie mierzymy woltomierzem, zaś prąd amperomierzem. Z racji tego, że nas interesuje napięcie, przełączamy multimetr na woltomierz napięcia przemiennego, zaś zakres pomiarowy woltomierza na co najmniej 230 V lub większy, i to w zasadzie wszystko. Odczytujemy pomiar i jesteśmy bogatsi o wiedzę o napięciu zasilającym nasz drogocenny sprzęt.