Ulubiony kiosk PRZEJRZYJ ONLINE WRZEŚNIOWE WYDANIE Live Sound ZAMÓW Z PRZESYŁKĄ GRATIS

Tutoriale

Prąd, zabezpieczenia,  zakłócenia i inne - Zasilanie cz. II

Prąd, zabezpieczenia, zakłócenia i inne - Zasilanie cz. II

Dodano: czwartek, 2 września 2010

W pierwszej części poruszyliśmy podstawowe tematy związane z zasilaniem - zdefiniowaliśmy kilka kluczowych pojęć, jak napięcie elektryczne, natężenie prądu czy rezystancja, a także powiedzieliśmy sobie co nieco na temat układów sieciowych, w tym trójfazowych. Na koniec zasygnalizowałem kilka problemów, na jakie możemy napotkać przy eksploatacji sieci zasilających. Czas jednak wrócić do teraźniejszości. W tym artykule poruszymy więc tematy związane z prądem - zabezpieczenia, przewody, wtyki. Powiemy też o przepięciach i zakłóceniach w sieci. A więc do rzeczy.

 

PRĄD

Podstawową zaletą bezpiecznika automatycznego jest to, że nie trzeba go „naprawiać” – po prostu wciska się przycisk i jeżeli zwarcie wywołujące jego zadziałanie zostało usunięte, to po kłopocie.

Samo napięcie tak naprawdę nic nam nie daje. Jest ono tylko „czynnikiem sprawczym”, czyli pozwala wywołać przepływ prądu, bo tak naprawdę to on robi nam całą „robotę” w układach elektrycznych i elektronicznych.

Prąd może płynąć tylko w obwodzie zamkniętym. Wyobraźmy sobie, że posiadamy bateryjkę, wyłącznik i żarówkę. Łącząc te elementy szeregowo (czyli kolejno od jednego do drugiego) otrzymamy obwód elektryczny, który będzie jednak działał dopiero po załączeniu wyłącznika. Czyli obwodem zamkniętym będzie taki obwód, w którym nie wystąpi przeszkoda dla uporządkowanego ruchu elektronów w całym obwodzie. Jeśli w obwodzie znajdzie się jakiś „przeszkadzacz”, ale taki, który nie przerwie nam całkowicie przepływu elektronów, a jedynie będzie utrudniał ich wędrówkę w obwodzie, wtedy będziemy mieli do czynienia z opornikiem, który zmniejsza możliwość swobodnego przepływania prądu.

„ZA TWOIM PRZEWODEM”

Naprawa bezpieczników topikowych w instalacjach zasilających to kryminał!

Maksymalna wartość prądu płynącego przez przewód elektryczny jest ściśle związana z jego przekrojem. I w tym miejscu rzecz bardzo ważna - praktycznie musimy wiedzieć jaki pobór prądu mają urządzenia naszego systemu nagłośnieniowego, ponieważ zastosowanie w zasilaniu przedłużaczy o zbyt niskim przekroju przewodów może w najlepszym wypadku skończyć się przerwą w zasilaniu naszych urządzeń. Jak wpływa przekrój przewodu zasilającego na płynący przez niego prąd zobrazować może przykład, który spotkał mnie na niwie dobrosąsiedzkich stosunków.

Pewnego dnia zaczepiła mnie sąsiadka: „Panie Marku, coś śmierdzi mi w domu, jakby „elektryką” paloną. Może pan sprawdzi?”. No i okazało się, że bidulka podłączyła mały ogrzewacz wody o mocy 3 kW przez przedłużacz 2 × 0,5 mm2. Przewód już dogorywał i o mały włos nie nastąpiło zwarcie. Aby dokładnie dobrać przekrój przewodu do wartości prądu należałoby sięgnąć do tablic, które dokładnie to podają, również w zależności od umieszczenia przewodu, ilości przewodów obok siebie oraz ich izolacji. Ja w tym miejscu pokuszę się o przytoczenie kilku typowych przykładów i zaznaczam, że są to wartości czysto orientacyjne. Przewód o przekroju 3 × 0,5 mm2 w izolacji polwinitowej, czyli najbardziej typowy, jaki można kupić w sklepach z materiałami elektrycznymi, wytrzymuje ciągły przepływ prądu około 7 A. Przewód 3 × 1 mm2 pozwoli na przepływ prądu około 12 A, 3 × 1,5 mm2 około 15 A zaś przewód o przekroju 3 × 2,5 mm2 zgodzi się, aby przepływał przez niego prąd o wartości około 21 A. Jak widać, jest to kwestia bardzo istotna i idąc dalej tym tropem warto wiedzieć jak wydajna jest instalacja obiektu, który nagłaśniamy, a jeżeli impreza odbywa się w plenerze, to z jakich przedłużaczy korzystamy.

ZABEZPIECZENIA

Musimy wiedzieć jaki pobór prądu mają urządzenia naszego systemu nagłośnieniowego, ponieważ zastosowanie przedłużaczy o zbyt niskim przekroju przewodów może w najlepszym wypadku skończyć się przerwą w zasilaniu naszych urządzeń.

Nadmierny przepływ prądu elektrycznego, tak w urządzeniach elektronicznych, jak i w instalacjach zasilających, może narobić niemałych szkód, jak również doprowadzić do porażeń czy pożarów. Oczywiście, w urządzeniach elektronicznych całkowicie sprawnych wartość prądu pobieranego z sieci jest przewidywalna, jednak w razie awarii, czyli mówiąc krotko - zwarcia na skutek uszkodzenia jakiegoś elementu - może spowodować małe eksplozje lub pożary. Jeżeli mówimy o instalacjach, nie możemy pominąć aspektu możliwości porażenia człowieka prądem elektrycznym.

Aby zabezpieczyć się przed skutkami przepływu nadmiernego prądu w obwodach elektrycznych stosuje się przeróżne bezpieczniki. Najczęściej spotykanymi są bezpieczniki topikowe. Zawierają w swojej konstrukcji, mówiąc najprościej, drut czy też blaszkę, która przepala się, gdy prąd płynący przez nią jest za duży. Bezpieczniki topikowe produkowane są dla rożnych wartości płynącego prądu oraz mają rożną charakterystykę zadziałania. Bezpieczniki takie możemy spotkać we wszelakich urządzeniach audio oraz w starych instalacjach zasilających. Ich podstawową wadą jest łatwość ich „naprawy”, którą często nazywamy „watowaniem”.

I tutaj rzecz bardzo ważna - naprawa bezpieczników topikowych jest niedopuszczalna!! Jeżeli bezpiecznik się przepalił, to coś musiało wywołać zwiększony przepływ prądu, a więc naprawa takiego bezpiecznika po prostu spowoduje - w najlepszym razie - kolejne uszkodzenia w sprzęcie. Naprawa bezpieczników topikowych w instalacjach zasilających to kryminał! Zabezpieczenie takie po prostu nie zadziała w odpowiednim momencie i nieszczęście gotowe. Pamiętać trzeba, że wymiana wkładki bezpiecznika topikowego może być tylko na wkładkę o takich samych parametrach.

Dziś, zgodnie z nowymi normami, do zabezpieczeń stosuje się również bezpieczniki automatyczne, jednak w obudowie pozwalającej na zamontowanie ich na szynie DIN.

W sprzęcie elektronicznym coraz częściej stosuje się bezpieczniki typu MultiFuse. Bezpieczniki takie wyglądają czasem jak warystory czy kondensatory, a ich działanie polega na gwałtownym zwiększaniu się rezystancji na skutek przepływającego nadmiernego prądu, a co za tym idzie zwiększonej temperatury. W normalnych warunkach pracy rezystancja MultiFuse jest porównywalna z rezystancją wkładki topikowej (zwykłego bezpiecznika), pomiędzy pojedynczymi mΩ, a kilkoma Ω, zależnie od specyficznej obciążalności prądowej. W MultiFuse zachodzi gwałtowna zmiana rezystancji, kiedy nadmierny prąd rozgrzewa go do temperatury samoczynnego wyłączenia.

Rezystancja wzrasta o kilka rzędów wielkości, a ten wzrost ogranicza prąd ze źródła zasilania i prąd w obwodzie, który ma być chroniony, do wartości nie powodującej normalnie żadnych uszkodzeń. Czasy wyłączenia są podobne do czasów bezpieczników topikowych zwłocznych. Płynący nadal prąd utrzymuje MultiFuse ponad jego temperaturą samoczynnego wyłączenia i przerzuca go w chroniący stan wysokiej rezystancji. MultiFuse wykasuje się, tzn. powróci do stanu niskiej rezystancji, jeśli będzie mógł ostygnąć poniżej swojej temperatury samoczynnego wyłączenia. Może to nastąpić, jeśli zostanie odłączone źródło zasilania albo jeśli prąd zostanie istotnie zredukowany. Kiedy MultiFuse jest wykasowany, a niewłaściwe warunki są usunięte, następuje wznowienie normalnego działania obwodu. Elementy MultiFuse nadają się również do zabezpieczania przed nadmierną temperaturą lub kombinacją nadmiernego prądu i nadmiernej temperatury. Wyłączają się one samoczynnie przy temperaturze około 125°C.

W instalacjach elektrycznych do niedawna powszechnie stosowano wkładki topikowe, popularnie przez domorosłych elektryków zwane „korkami”, jednak zaczęto je zastępować automatycznymi bezpiecznikami nadmiarowymi, które w swej konstrukcji zawierają wyłącznik elektromagnetyczny, powodujący szybkie rozłączenie obwodu zasilania, oraz wyłącznik bimetalowy, który zabezpiecza instalację dodatkowo przed nadmiernym przeciążeniem.

Podstawową zaletą takiego bezpiecznika jest to, że nie trzeba go „naprawiać” - po pros tu wciskało się przycisk i jeżeli zwarcie wywołujące jego zadziałanie zostało usunięte, było po kłopocie. Dziś, zgodnie z nowymi normami, do zabezpieczeń stosuje się również bezpieczniki automatyczne, jednak w obudowie pozwalającej na zamontowanie ich na szynie DIN. To bezpieczniki popularnie zwane „esami”. Ich zasada działania jest taka sama, jak ich starszych wkręcanych kuzynów, są jednak wykonane tak, że mają rożne charakterystyki działania oraz są wykonywane dla rożnych wartości prądu.

Do zabezpieczenia przed porażeniem prądem elektrycznym lub w sytuacjach, gdy z powodu awarii napięcie pojawi się na obudowie urządzenia, zabezpieczają wyłączniki różnicowo-prądowe. Wyłączniki takie wyglądają podobnie do bezpieczników automatycznych, jednak mają dodatkowy przycisk pozwalający na sprawdzenie ich działania. Najważniejszym elementem wyłącznika różnicowo-prądowego jest transformator Ferrantiego. Przewody zasilające są objęte rdzeniem tego transformatora. Jeżeli urządzenie zasilane przez wyłącznik różnicowo-prądowy działa poprawnie, to geometryczna suma prądów pobieranych przez nie jest równa zeru.

Jeżeli na skutek uszkodzenia izolacji część prądu popłynie np. przez obudowę do źródła, omijając przewody objęte rdzeniem, wyłącznik zadziała i rozłączy zasilanie. Oczywiście, jeżeli my uziemimy fazę zasilania przez siebie, czyli po prostu nas „kopnie”, to wyłącznik różnicowy uratuje nam życie. Pamiętać należy, że działanie wyłącznika jest skuteczne tylko przy instalacjach z oddzielnym przewodem neutralnym i ochronnym, a w wypadku zasilania trójfazowego w sieci pięcioprzewodowej TN-S. Zastosowanie wyłącznika różnicowo-prądowego nie zwalnia z konieczności zabezpieczenia za pomocą bezpieczników.

GNIAZDA I WTYKI

Gniazdo typu komputerowego pozwala na przepływ prądu do 10 A.

Również gniazda i wtyki są projektowane i wykonywane tak, aby były w stanie bezproblemowo przepuścić prąd o odpowiedniej wartości. Posiadając np. wzmacniacz o mocy 5 kW musimy mieć świadomość, że (nawet jeśli będzie on wyposażony w zasilacz impulsowy i będzie pracował w klasie D) jego pobór mocy będzie wynosił co najmniej 21 A, a więc siłą rzeczy nie można zasilać go za pośrednictwem gniazdka typu komputerowego, które w wykonaniu Made in PRC pozwala na przepływ prądu do 10 A. Spotyka się gniazda na płytę, które pozwalają na przepływ prądu przez ich styki nawet 25 A.

Wtyczki sieciowe pozwalają na przepływ prądu do 16 A, co spowodowane jest faktem, że trudno znaleźć urządzenie AGD o mocy większej niż 3 kW. Gdy będziemy zmuszeni wykonać przedłużacze w swoim zakresie lub gdy będziemy chcieli takie zakupić musimy sprawdzić, na jaki prąd są przewidziane, aby podczas pracy „on line” nie było niespodzianek.

W swojej pracy akustyków często możecie zostać zaskoczeni zastosowaniem niejednakowych norm gniazd zasilających. I dlatego warto mieć rożne rodzaje przejściówek elektrycznych. Coraz częściej można spotkać się z wtyczkami, które nie dość, że mają na swoim obwodzie rożne wycięcia, to jeszcze z boków mają styki dodatkowe przewodu PE. I nie trzeba detektywa, aby domyślić się, że jeżeli są takie wtyki, to muszą być i gniazda. Faktycznie, są takie gniazda, a typowa okrągła wtyczka sieciowa do takiego gniazda nie wejdzie. Trójfazowe sieci zasilające także wyposażane są w gniazda pozwalające na przepływ prądu o rożnej wartości. Spotkać się więc można ze złączami na 16 lub 32 A, które wyposażone są w cztery lub pięć styków. Jak widać, możliwości jest kilka.

Oczywiście, tak instalacje, jak i urządzenia elektroniczne wyposażone są w rożnego rodzaju wyłączniki zasilania. W obu przypadkach ważna jest tak dopuszczalna wartość prądu, jaki może płynąć przez styki wyłącznika, jak i napięcie pracy wyłącznika. W sprzęcie zdarzyło mi się spotkać niejeden wytopiony styk wyłącznika, a spowodowane to było złym doborem jego parametrów. Jeżeli chodzi o sieci zasilające natrafiłem na przypadek, gdzie rolę wyłącznika głównego całej instalacji sali pełnił wyłącznik do światła w pokoju.

Efektem tego zabiegu było kompletne jego wypalenie i przerwa w nagłaśnianej imprezie. Ważne jest, aby przyswoić sobie podstawowe parametry związane z zasilaniem sieciowym, które starałem się tu przybliżyć, oraz aby przed „sztuką” dokonać wywiadu z organizatorem w sprawie sieci zasilającej daną salę czy plener. Na pewno zmniejszy to ilość nieprzewidzianych niespodzianek ze strony zasilania.

ZAKŁÓCENIA

Zakłócenia elektryczne mieszczą się w szerokim paśmie częstotliwości i dobranie filtru, który będzie dobrze pracował w całym paśmie owych częstotliwości jest bardzo trudne.

Zakłócenia elektryczne mogą pochodzić z wielu rożnych źródeł i przedostawać się do obwodów elektrycznych zarówno przez przewodzenie elektryczne, jak i promieniowanie elektromagnetyczne. Zakłócenia dostające się poprzez przewodzenie wytwarzane są niemal przez wszystkie urządzenia, które korzystają z zasilania za pośrednictwem sieci energetycznej. Pochodzą one od świetlówek, silników, a także w nie mniejszym stopniu od zasilaczy komputerowych i innych systemów zasilania używanych w urządzeniach elektronicznych.

Z kolei źródłem zakłóceń promieniowanych są głownie nadajniki radiowe, telefony i nadajniki sieci komórkowych oraz transmisje mikrofalowe. Rozpatrując zakłócenia promieniowane nie możemy zapomnieć o przewodach uziemiających. Działają one jak wielkie anteny, które potrafią „zbierać” mnóstwo sygnałów o zupełnie przypadkowych, trudnych do określenia częstotliwościach.

Walka z zakłóceniami nie jest łatwa - w znacznej mierze ten temat poruszany był w poprzednim numerze LSP. Nas w tym momencie najbardziej będzie interesowało jak bronić się przed zakłóceniami, które przedostają się do urządzeń bezpośrednio z sieci zasilającej, a więc pierwszym z wymienionych. Na samym początku trzeba powiedzieć, że nie jest to takie łatwe, jakby się mogło wydawać - zastosowanie prostych, powszechnie dostępnych filtrów odkłócających może być często niewystarczające. Dzieje się tak, ponieważ zakłócenia elektryczne mieszczą się w szerokim paśmie częstotliwości i dobranie filtru, który będzie dobrze pracował w całym paśmie owych częstotliwości jest bardzo trudne.

Dodatkowo impedancja filtrów przeciwzakłóceniowych łączy się ze zmienną impedancją rożnych gałęzi obwodu elektrycznego, dlatego skuteczność filtru będzie rożna w zależności od stopnia obciążenia, impedancji wejściowej zasilacza urządzeń, itp. Najlepszym i najbardziej pełnym jest układ złożony z kilku współpracujących ze sobą bloków: niskoimpedancyjnego transformatora separującego, wysokoenergetycznego odgromnika oraz sieciowego filtru antyzakłoceniowego.

Do tej pory mówiliśmy o zakłóceniach, które - owszem - mogą być bardzo uciążliwe, ale nie powinny w większości przypadków spowodować spustoszenia w zasilanych urządzeniach (aczkolwiek mogą sprawiać pewne problemy w ich pracy, a nawet awarie). Jest jednak jeden typ zakłóceń, które mogą być bardzo groźne. Mowa o

PRZEPIĘCIACH

W bezpiecznikach typu MultiFuse zachodzi gwałtowna zmiana rezystancji, kiedy nadmierny prąd rozgrzewa go do temperatury samoczynnego wyłączenia.

Przepięcia mogą przyjmować przeważnie wartość setek, a nawet tysięcy woltów oraz zawierać sporą dawkę energii. Uszkodzenia powstające w wyniku gwałtownych skoków napięcia mogą być zarówno widoczne, jak i niewidoczne gołym okiem. Jeśli energia, jaką niesie ze sobą tak gwałtowny wzrost napięcia jest duża, może spowodować zniszczenie urządzenia elektronicznego, a uszkodzenia będą widoczne w postaci osmalonych lub nadpalonych elementów.

Niestety, przepięcia nie zawsze powodują tak bezsporne uszkodzenia. Czasami skok napięcia może zawierać mniejszą dawkę energii i uszkodzenia, jakie spowoduje będą niewidoczne. Dzieje się tak dlatego, że mniejsza porcja energii niszczy materiał półprzewodnikowy jedynie na poziomie mikroskopowym - jest to zjawisko nazywane niekiedy „elektroniczną rdzą”. Element stopniowo ulega degradacji, a uszkodzenie narasta przy powtórnym narażeniu na mniejszą dawkę energii wahania napięcia sieci. Ostatecznie komponent psuje się, i to przeważnie bez widocznych uszkodzeń.

Przepięcia mogą przyjmować rożne kształty i wielkości, w zależności od tego, czy warunki ich powstania i rozchodzenia się będą mniej, czy bardziej dogodne. Przyczyny powstawania przepięć mogą być różnorakie. Niektóre z nich są wewnętrzne, niektóre zewnętrzne, a niektóre zupełnie prozaiczne. Duże obciążenia, jak np. silniki używane w windach oraz systemach klimatyzacyjnych, mogą być przyczyną powstawania przepięć przy każdym rozruchu i wyłączeniu. Jeśli wystąpi przerwa w zasilaniu, szybkie rozładowanie zgromadzonego ładunku elektrycznego przez sieć również wywołuje znaczny skok napięcia. Jak się bronić przed przepięciami? Energia przepięć jest osłabiana poprzez użycie ochronnika przeciwprzepięciowego. Urządzenie to, jak sama nazwa wskazuje, chroni obwody przed przepięciami w ten sposób, że po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w sieci kieruje ono energię takiego skoku napięcia z przewodu do uziemienia.

Jeśli nasze urządzenie ma wewnątrz system mikroprocesorowy (jak np. konsolety audio), jest to niepożądane z uwagi na to, że działanie ochronnika wywołuje różnice napięć między przewodem zerowym a uziemieniem, co często jest przyczyną zakłóceń w pracy urządzenia. Jeśli dodatkowo urządzenie to jest częścią większego, rozbudowanego systemu, energia przepięcia skierowana do uziemienia krąży po całym systemie przewodem uziemiającym. Z tego powodu ochronniki przeciwprzepięciowe nie powinny być instalowane na końcach gałęzi obwodu.

Do zabezpieczenia przed porażeniem prądem elektrycznym lub w sytuacjach, gdy z powodu awarii napięcie pojawi się na obudowie urządzenia, zabezpieczają wyłączniki różnicowo-prądowe.

Najbardziej właściwym miejscem na zainstalowanie ochronnika jest skrzynka serwisowa (skrzynka bezpiecznikowa), gdzie może on kierować energię przepięcia bezpośrednio do „ziemi” budynku, bez wpływania na różnicę napięć miedzy przewodem zerowym a uziemiającym oraz na działanie systemów mikroprocesorowych wewnątrz budynku.

W punkcie, gdzie system elektroniczny jest przyłączany do gałęzi obwodu (gniazdko) wymagany jest znacznie wyższy poziom zabezpieczenia. Głównym celem w tym punkcie jest wyeliminowanie zarówno tych destrukcyjnych, jak i tych mniejszych, powodujących powstawanie „elektronicznej rdzy” przepięć, i to w taki sposób, aby nie wywoływać różnicy napięć między przewodem zerowym a uziemiającym, które mogą zakłócać pracę systemów. Najwłaściwszym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie transformatorów separujących. Właściwie zaprojektowany system zabezpieczający jest w stanie ograniczyć szkodliwe zakłócenia napięcia zasilania do znikomego poziomu, co zapewnia bezpieczną i niezakłóconą pracę systemów.